Desenvolvimento de sistema de secagem automático

para esfregonas – Fapil

Diogo Lopes Viana Nunes

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em

Engenharia Mecânica

Orientadores: Prof. Marco Alexandre de Oliveira Leite

Prof. Paulo Miguel Nogueira Peças

Júri

Presidente: Prof. Luís Filipe Galrão dos Reis

Orientador: Prof. Marco Alexandre de Oliveira Leite

Vogais: Profª. Elsa Maria Pires Henriques

Prof. António Manuel Relógio Ribeiro

Dezembro 2017

i

Agradecimentos

Ao Professor Marco Leite e Paulo Peças, pela excelente orientação, pelos seus ensinamentos, pelo

apoio, pela dedicação, pela disponibilidade demonstrada e pela boa disposição.

À Professora Inês Ribeiro, pelos seus ensinamentos valiosíssimos nos custos de produção, por todo

apoio e disponibilidade.

Ao Professor Matos Almas, pelo esclarecimento de dúvidas sobre o sistema de engrenagens do

mecanismo de secagem da esfregona e pelos conselhos dados, referenciando o KISSsoft.

À empresa Fapil, nomeadamente ao Dr. Fernando Teixeira, ao Eng. Pedro Teixeira e ao Dr. Adriano

Teixeira pela disponibilidade e pelo apoio prestado ao longo da realização do presente trabalho, pelo

esclarecimento de dúvidas e pelo fornecimento de dados e produtos.

À empresa Blocks, nomeadamente ao Alexandre Guerreiro, ao Duarte Vasconcelos, ao Tiago Rocha

e ao Nuno Parra pela disponibilidade, pelo apoio prestado na prototipagem, pelo esclarecimento de

dúvidas, pelas sugestões e por toda a simpatia.

Aos meus pais, à minha irmã, à Adélia e à restante família, por todo o apoio dado durante todo o curso

e durante a realização de todo o trabalho.

Aos “Vendas” por todo o suporte, trabalho e amizade partilhada ao longo de todo o curso.

Ao Daniel Cardoso pela amizade e pela ajuda na tradução.

ii

Resumo

O desenvolvimento de novos produtos é, há longa data, uma das principais preocupações das

empresas industriais, pois é um dos pilares essencial para a presença no mercado e,

consequentemente, para o sucesso da empresa. Com efeito, não é exagerado afirmar que hoje em dia

quem não se preocupa em estudar o mercado e lançar novos produtos está condenado ao insucesso.

A Fapil – Indústria, S.A, está na vanguarda da inovação na sua área de atividade para o que

muito concorre a parceria que detém com o IST – Instituto Superior Técnico. É no âmbito desta parceira

que surge o presente estudo, cujo objeto é a esfregona rotativa, mais especificamente a inovação no

mecanismo de secagem.

Nesta tese é dissecado ao detalhe todo o processo de desenvolvimento do produto, desde a

fase inicial – ideia – até à fase final – produto tangível e comercializável, sempre em colaboração

estreita com as diferentes partes envolvidas.

Assim, foram identificadas as especificações do produto, trabalhado o seu conceito e definida

a sua geometria, funcionamento, tendo em conta o processo de fabrico e a montagem. Recorreu-se à

prototipagem analítica e física, o que permitiu detetar falhas no desenvolvimento do produto, poupando

custos e tempo nas inevitáveis correções que se seguiriam.

Por último, é feita a análise de sensibilidade tendo em vista avaliar a viabilidade económica do

novo produto.

Palavras-chave: Desenvolvimento de novos produtos, Fapil, Esfregona rotativa, Inovação, Conceito,

Prototipagem.

iii

Abstract

The development of new products has long been one of the main concerns of industrial

companies, as it is one of the essential pillars for the presence in the market and, consequently, of their

success as a company. Indeed, it is no exaggeration to say that nowadays those who neglect to study

the market and launch new products are doomed to failure.

Fapil - Indústria, S.A, is at the forefront of innovation in its field, for which the partnership with

IST - Instituto Superior Técnico is of great value.

It is within the scope of this partnership that the present study arises, whose subject is the rotary mop,

more specifically, the innovation in its drying mechanism.

In this thesis, we dissect in detail the entire product development process, from the initial phase

- idea - to the final stage - tangible and marketable product, always in close collaboration with all parties

involved.

Thus, the product specifications have been identified, its concept has been perfected, its

geometry and operation defined, taking into consideration the manufacturing and assembly process.

Analytical and physical prototyping allowed early detection of product development failures, saving

costs and time in the inevitable corrections that would follow.

Lastly, the sensitivity analysis was performed in order to assess the economic viability of the

new product.

Keywords: New product development, Fapil, Spin mop, Innovation, Concept, Prototyping.

iv

Índice

Agradecimentos ....................................................................................................................................... i

Resumo ................................................................................................................................................... ii

Abstract ...................................................................................................................................................iii

Lista de tabelas ...................................................................................................................................... vi

Lista de figuras .......................................................................................................................................vii

Lista de Abreviações .............................................................................................................................. ix

I. Introdução ....................................................................................................................................... 1

1. Motivação do problema ............................................................................................................... 1

2. Objetivos do problema ................................................................................................................ 1

3. Estado da arte ............................................................................................................................. 2

4. Estruturação do documento ........................................................................................................ 3

5. Principais aportes ........................................................................................................................ 3

II. Estado de arte do desenvolvimento de produto ............................................................................. 5

1. Desenvolvimento de Produto ...................................................................................................... 5

1.1 Perspetiva histórica do desenvolvimento de produto ......................................................... 5

1.2 Áreas de conhecimento atuantes no desenvolvimento de produto .................................... 6

1.3 Ciclo de vida do produto ..................................................................................................... 7

1.4 Integração dos fornecedores no desenvolvimento de produto ........................................... 8

1.5 Processo de desenvolvimento de produto .......................................................................... 9

1.6 Desenvolvimento do conceito ........................................................................................... 10

1.7 Prototipagem no desenvolvimento de produto ................................................................. 13

2. Metodologias e ferramentas de apoio ao desenvolvimento de produto ................................... 15

2.1 Engenharia Concorrente/Simultânea (ECS) ..................................................................... 16

2.2 Design For X (DFX) ........................................................................................................... 17

2.3 Design For Manufacture and Assembly (DFMA) .............................................................. 17

2.4 Ferramentas computacionais (CAD/CAE/CAM) ............................................................... 18

III. Conceção do produto em colaboração com a Fapil ................................................................. 21

1. Descrição do produto e enquadramento com a Fapil ............................................................... 21

2. Metodologia da realização da tese ........................................................................................... 23

3. Levantamento de Requisitos e Desenvolvimento de Conceitos ............................................... 26

v

3.1 Identificação e interpretação de necessidades ....................................................................... 26

3.2 Definição das especificações do produto ............................................................................... 29

3.3 Geração e seleção de conceitos ............................................................................................. 33

4. Implementação do conceito ...................................................................................................... 44

4.1 Desenho da geometria do produto ......................................................................................... 44

4.2 Testes e prototipagem ............................................................................................................. 58

5. Custos de produção .................................................................................................................. 65

5.1 Custo do processo de injeção ................................................................................................. 65

5.2 Custo da montagem do conjunto ............................................................................................ 68

5.3 Custos de produção do produto .............................................................................................. 69

5.4 Análise de sensibilidade .................................................................................................... 69

6. Análise Global ........................................................................................................................... 72

IV Conclusões ....................................................................................................................................... 79

V Referências Bibliográficas ................................................................................................................. 81

VI – Anexos ........................................................................................................................................... 83

Anexo 1 – Guião seguido nas entrevistas para a recolha de necessidades .................................... 83

Anexo 2 – Tempos de atuação dos conjuntos esfregona rotativa testados no subcapítulo III – 3.2 83

Anexo 3 – Relatórios gerados das simulações realizadas no KISSsoft ........................................... 83

Anexo 4 – Patente – Mecanismo de engrenagens desmultiplicadoras para a secagem de esfregona

por centrifugação e o seu método de funcionamento ....................................................................... 88

vi

Lista de tabelas

Tabela 1 - Listagem das observações dos cliente referente às esfregonas e ..................................... 27

Tabela 2 - Listagem das necessidades da esfregona com os respetivos graus de importância. ........ 29

Tabela 3 - Listagem das métricas referentes às necessidades............................................................ 29

Tabela 4 - Matriz das necessidades vs métricas. ................................................................................. 31

Tabela 5 - Tabela comparativa de métricas de esfregonas rotativas existentes no mercado. ............ 32

Tabela 6 - Matriz de Seleção. ............................................................................................................... 36

Tabela 7 - Especificações do sistema de engrenagens do NMSEC, calculadas pelas equações acima

descritas. ............................................................................................................................................... 53

Tabela 8 - Especificações das engrenagens do NMSEC geradas pelo KISSsoft. ............................... 54

Tabela 9 - lista das peças do novo conjunto esfregona rotativa com as respetivas características. ... 57

Tabela 10 - Tabela com as especificações dos moldes para as diferentes peças. ............................. 66

Tabela 11 - Máquinas de injeção usadas na produção do conjunto esfregona rotativa ...................... 67

Tabela 12 - Valores dos fatores de custo do processo de injeção. ...................................................... 68

Tabela 13 - Custos de produção por produto para um volume de produção anual de 200 000 produtos,

.............................................................................................................................................................. 69

Tabela 14 - Custos de produção do produto para vários volumes de produção anuais, ..................... 70

Tabela 15 - Moldes da segunda e terceira alternativas, a alterar na primeira alternativa. ................... 71

Tabela 16 - Custos de produção por produto para cada alternativa, variando com ............................ 71

Tabela 17 - Características do molde, o custo acrescentado no produto e o custo total do produto com

a peça carreto cilíndrico 2º nível e veio dentado roscado, para um volume de produção anual de 200

000 produtos. ........................................................................................................................................ 72

Tabela 18 - Tempo de atuação dos conjuntos esfregona rotativa testados no subcapítulo III - 3.2. ... 83

vii

Lista de figuras

Figura 1 - Esfregona rotativa e respetivo balde. ................................................................................... 21

Figura 2 - Mecanismos de espremer esfregonas. ................................................................................ 22

Figura 3 - Metodologia geral. ................................................................................................................ 24

Figura 4 - Conjuntos de esfregonas rotativas testados. ....................................................................... 31

Figura 5 - Esquematização do problema de secar os filamentos da esfregona. .................................. 34

Figura 6 - Diversas formas de aplicar movimento no cabo da esfregona. ........................................... 34

Figura 7 - 1: Engenho primitivo de furar ou fazer fogo; 2 e 3: Engrenagem com cremalheira como

atuante; ................................................................................................................................................. 35

Figura 8 - Cabeças de parafusos. ......................................................................................................... 37

Figura 9 - Encaixe com forma de meia esfera. ..................................................................................... 37

Figura 10 - Veio dentado simples e respetivo cesto. ............................................................................ 38

Figura 11- Formas de base de esfregonas. .......................................................................................... 38

Figura 12- Árvore de classificação das especificações para uma rotação livre no cabo. .................... 39

Figura 13 - 1, 2, 3 e 4: Termómetro com bluetooth; 5: Termómetro e sensor de sujidade com wireless;

6 , 7 e 8: Sensor de sujidade; 9: Sensor wireless do nível de água; 10 e 11: Sensor do nível de água;

12, 13 e 14: Termómetro, sensor de sujidade e do nível de água com wireless e App. ...................... 40

Figura 14 - Formas de baldes de esfregonas e pegas. ........................................................................ 41

Figura 15 - Esfregona rotativa e respetivo balde. ................................................................................. 42

Figura 16 - Esboço do conceito gerado para o mecanismo de rotação da esfregona. ........................ 43

Figura 17 - Novo conjunto esfregona rotativa e vista explodida. .......................................................... 44

Figura 18 - Dois diferentes ângulos da vista explodida do NMSEC. .................................................... 45

Figura 19 - Tipos de engrenagens que compõem o NMSEC. .............................................................. 47

Figura 20 - Sistema roquete. ................................................................................................................ 48

Figura 21 - Esquema das engrenagens do NMSEC. ........................................................................... 52

Figura 22 - Cremalheira e pinhão, engrenagem cónica e engrenagem cilíndrica geradas no KISSsoft.

.............................................................................................................................................................. 54

Figura 23 - Peça base do NMSEC, sem alterações à sua produção. .................................................. 55

Figura 24 - Peça base do NMSEC com as peças suporte deste, a cremalheira, ................................ 56

Figura 25 - Modelo 3D do conjunto esfregona rotativa. ........................................................................ 58

Figura 26 - NMSEC impresso em 3D à escala de ½. ........................................................................... 59

Figura 27 - Peça balde impressa em 3D à escala real. ........................................................................ 60

Figura 28 - Novo conjunto esfregona rotativa impresso em 3D à escala real, onde na imagem superior

esquerda é focado o NMSEC e na imagem superior direita está também representado o NMSEC

impresso em 3D à escala ½.................................................................................................................. 61

Figura 29 - Protótipos da peça suporte da peça carreto cilíndrico do 2º nível e integral com o veio

dentado simples, ordenados por ordem cronológica, da esquerda para a direita, começando pelo

correspondente ao protótipo do produto completo. .............................................................................. 62

Figura 30 - Protótipos da peça carreto cilíndrico do 2º nível e integral com o veio dentado, e respetivo

encaixe pertencente ao cesto, por ordem cronológica, da esquerda para a direita. ............................ 63

viii

Figura 31 - Protótipo impresso em 3D da peça tampa suporte do NMSEC, com o acrescento .......... 64

Figura 32 - Variação do custo de produção do produto em função do volume de produção. .............. 70

Figura 33 - Relatório gerado da simulação do KISSsoft da engrenagem da cremalheira e pinhão. ... 84

Figura 34 - Relatório gerado da simulação do KISSsoft da engrenagem cónica. ................................ 85

Figura 35 - Relatório gerado da simulação do KISSsoft do 1º nível da engrenagem cilíndrica. .......... 86

Figura 36 - Relatório gerado da simulação do KISSsoft do 2º nível da engrenagem cilíndrica. .......... 87

Figura 37 - Figura principal da patente. ................................................................................................ 88

Figura 38 - Figura 1 da patente. ........................................................................................................... 94

Figura 39 - Figura 2 da patente. ........................................................................................................... 94

Figura 40 - Figura 3 da patente. ........................................................................................................... 95

Figura 41 - Figura 4 da patente. ........................................................................................................... 95

Figura 42 - Figura 5 da patente. ........................................................................................................... 96

Figura 43 - Figura 6 da patente. ........................................................................................................... 96

Figura 44 - Figura 7 da patente. ........................................................................................................... 97

Figura 45 - Figura 8 da patente. ........................................................................................................... 97

ix

Lista de Abreviações

CAD – (Computer Aided Design) Desenho assistido por computador

CAE – (Computer Aided Engineering) Engenharia assistida por computador

CAM – (Computer Aided Manufacturing) Fabrico assistido por computador

DFMA – (Design for Manufacturing and Assembly) Desenho para o fabrico e montagem

DFX – Design for X

EC – Engenharia Concorrente

ES – Engenharia Simultânea

ECS – Engenharia Concorrente/Simultânea

NMSEC – Novo mecanismo de secagem da esfregona por centrifugação

PA – Poliamida

PLA – (Polylactic Acid) Ácido Polilático

POM – Polioximetileno

PP - Polipropileno

1

I. Introdução

1. Motivação do problema

Para o contínuo desenvolvimento das sociedades contribui decisivamente o aparecimento de

novas soluções para os novos e os antigos problemas. De entre essas soluções, sobressai a invenção

e desenvolvimento de novos produtos, alguns dos quais acabam por revolucionar o nosso modo de

vida. Proliferam os exemplos: a lâmpada incandescente de Thomas Edison (1847-1931), o fogão de

Benjamin Franklin (1705-1790) ou a máquina de lavar roupa de Alva Fisher (1862-1947).

Também a esfregona, que tem como finalidade a limpeza e remoção de líquidos, sujidade e

poeiras, não foi sempre como hoje a conhecemos. A primeira esfregona foi criada no séc. XV com o

objetivo de facilitar a limpeza dos pavimentos, que até aí se fazia manualmente com recurso a simples

panos. Desde então, tem-se assistido ao desenvolvimento do produto esfregona, sendo a presente

tese mais um contributo nesse caminho.

A Fapil – Indústria, S.A., empresa que impulsionou o presente estudo, integra o sector da

indústria transformadora, produzindo e comercializando produtos de utilidade doméstica que auxiliam

na higiene e limpeza da casa, tratamento da roupa e arrumação do lar. Está na senda dos percussores

da inovação, a que se fez alusão no início desta introdução, pois tem incutida uma cultura de busca

permanente de novos produtos, métodos de fabrico e até de gestão, pressupostos sem os quais

considera não ser possível manter-se na vanguarda da inovação e, por via disso, continuar a garantir

uma posição de destaque no mercado em que se insere.

Com efeito, sendo este altamente concorrencial devido, principalmente, às empresas

sedeadas em países emergentes, que apresentam custos de produção baixos, sobretudo pelos

reduzidos custos da mão-de-obra, para continuar a ser bem-sucedida a Fapil tem permanentemente a

preocupação em atingir a máxima eficiência, oferecendo aos clientes os produtos certos, em termos

de características e qualidade, no momento oportuno e a um preço competitivo. Para alcançar tal

desiderato, a empresa procura implementar as metodologias mais adequadas de desenvolvimento,

aplicando a engenharia na geração de produtos inovadores e de maior valor acrescentado, tornando-

os, mais competitivos.

2. Objetivos do problema

O presente trabalho enquadra-se na permanente preocupação da Fapil em apresentar novas

soluções e novos produtos no mercado onde se insere. Neste caso particular, iremos apresentar uma

esfregona rotativa que constitui a inovação mais recente no âmbito das esfregonas. Os últimos

desenvolvimentos têm incidido sobre os filamentos das esfregonas, melhorando as capacidades de

absorção, e no mecanismo de secagem, caracterizado por incorporar um cesto rotativo que seca os

filamentos por centrifugação. É sobre esta última inovação – mecanismo de secagem – que trata o

2

presente estudo. Sendo este um desafio industrial, o foco será no melhoramento da facilidade de

secagem, redução do custo de produção e de montagem.

3. Estado da arte

O desenvolvimento de produtos tem evoluído ao longo dos tempos.

No final do séc. XIX o foco centrava-se no estudo e aplicação de métodos e técnicas

especializadas, sendo decisiva a colaboração e articulação entre várias áreas profissionais, visando a

produção em massa.

A melhoria da produtividade, a redução dos custos de pessoal e a evolução tecnológica da

fabricação, por um lado, aliados ao crescimento dos mercados, por outro, fizeram deslocar a

preocupação da indústria para a qualidade dos produtos.

Com a contínua evolução tecnológica, a conceção do produto passa a ser a prioridade,

aumentando a atenção na funcionalidade e na estrutura do produto, estimulando o aumento da

participação da engenharia na sua conceção.

O cliente e seus comportamentos foi a prioridade seguinte. O seu estudo permite identificar as

oportunidades de mercado e as características dos produtos mais relevantes para o cliente, tornando-

se o fator principal da competitividade entre as empresas.

Mais recentemente, é a globalização dos mercados que dita as suas leis. Assiste-se à

transferência da produção para países como a Índia ou a China, cujos custos de mão-de-obra são

muito inferiores. Noutra vertente, o aumento da procura por maior diversidade de produtos, em

intervalos de tempo cada vez mais reduzidos, levou as empresas a criarem novas metodologias, de

que a engenharia concorrente/simultânea é exemplo paradigmático. Caracteriza-se pela realização

simultânea do design do produto e do design dos processos, que geralmente envolve a formação de

equipas multifuncionais, permitindo que engenheiros e especialistas de diferentes áreas trabalhem em

conjunto e ao mesmo tempo no desenvolvimento de design de novos produtos e processos.

No estado da arte tem assumido papel relevante a prototipagem. Trata-se de um método de

uso crescente, ao permitir atingir uma proximidade real do produto final, sendo possível testar as suas

funcionalidades de forma muito mais assertiva. Os protótipos são concebidos com o propósito de

aprender, comunicar, integrar e planear objetivos para o produto. Por outro lado, reduzem o risco de

custos elevados e tempo excessivo no desenvolvimento do produto. Permitem à equipa detetar falhas

que de outro modo seriam impercetíveis até se aplicar a um processo de desenvolvimento dispendioso,

de que são exemplo os moldes de injeção plástica.

As metodologias usadas neste trabalho têm como objetivo permitir que o projetista crie um

produto que satisfaça as necessidades relevantes do mercado e, concomitantemente, permita ter uma

clara perceção dos processos de fabrico de modo a evitar custos de fabricação acrescidos.

3

4. Estruturação do documento

No capítulo II - Estado de arte do desenvolvimento de produto - começa-se por fazer uma

perspetiva histórica do desenvolvimento do produto. Os principais conceitos e parâmetros inerentes a

qualquer desenvolvimento de produto são apresentados neste capítulo, sendo que a presente tese

trata adicionalmente do desenvolvimento de conceito, no âmbito do qual é inserida a prototipagem para

validar o produto. Neste capítulo são também abordadas metodologias e ferramentas de apoio ao

desenvolvimento de produtos.

No capítulo III é descrito o produto e efetuado o levantamento de necessidades e

especificações, bem como a inerente geração e seleção de conceitos. Noutro passo, é implementado

o conceito, onde se trata o desenho da geometria do produto, testes e prototipagem que validem o

conceito. Ainda neste capítulo, são estimados os custos de produção, decompostos pelos custos do

processo de injeção e da montagem do conjunto, realizando-se, no final, a imprescindível análise de

sensibilidade. Por último, é apresentada a análise global da conceção do produto.

5. Principais aportes

Eis os principais aportes para o presente trabalho, sem os quais não seria possível atingir os

objetivos a que nos propusemos.

a) A interação entre a indústria e a universidade foi crucial neste estudo. A integração inteligente

e metódica de várias áreas da Fapil, tais como, a engenharia, o marketing, a comunicação,

enquadra o correto desenvolvimento de produto e correspondente análise de custos.

b) Técnicas de Design for Manufacturing and Assembly no auxílio do desenho do produto de

modo a que este seja produzido a custos inferiores e num menor espaço de tempo.

c) Prototipagem, contribuindo decisivamente para o desenvolvimento do produto, sendo que

muitos autores aconselham o uso da prototipagem rápida para uma célere aprendizagem.

d) A produção dos protótipos não teria sido possível sem a inestimável colaboração da Blocks.

e) A submissão da patente revelou-se ser um contributo importante para acrescentar valor ao

produto. Com efeito, ao patentear-se o produto ficou reconhecida a sua novidade, atividade

inventiva e aplicação industrial, requisitos sine qua non para o registo da invenção.

4

5

II. Estado de arte do desenvolvimento de produto

Antes de se dar a conhecer o produto a desenvolver, considera-se relevante expor o estado

da arte do Desenvolvimento de Produtos em geral. Para o efeito, é descrito, de uma forma genérica, o

estado de desenvolvimento de um produto e são explicadas as metodologias e técnicas utilizadas no

desenvolvimento do mesmo.

1. Desenvolvimento de Produto

As necessidades do mercado constituem a principal fonte de ignição para o aparecimento e

desenvolvimento de novos produtos. Daí que as empresas tenham que estar permanentemente

atentas às mutações do mercado e dos consumidores de forma a implementarem internamente um

conjunto de atividades que lhes permitam criar e/ou desenvolver novos produtos [1], transformando as

necessidades do mercado em soluções técnicas e comercias.

O desenvolvimento de novos produtos é uma grande vantagem competitiva entre empresas.

O aumento da competitividade, o avanço tecnológico, as mudanças no mercado e os ciclos de vida

dos produtos, obrigam as empresas a desenvolverem frequentemente novos produtos [2]. Para que

esses tenham sucesso no mercado, é exigido às empresas que tenham rápida atuação e elevada

produtividade e qualidade, de modo a conseguirem desenvolver produtos com qualidade, no momento

certo e a um preço competitivo.

Os temas seguidamente abordados começam com uma referência à evolução histórica do

desenvolvimento de produto, seguida das áreas de conhecimento nele intervenientes. Posteriormente,

falar-se-á do ciclo de vida do produto, assim como da importância da integração dos fornecedores, que

antecede o processo de desenvolvimento de produto.

1.1 Perspetiva histórica do desenvolvimento de produto

No final do século XIX, começou a evidenciar-se um maior interesse pelo estudo e aplicação

de métodos e técnicas especializadas no desenvolvimento de produtos. Este interesse foi

impulsionado pela indústria até atingir uma importância determinante no final do século XX. No início,

o trabalho de desenvolvimento era centrado num trabalho individualizado na área de conhecimento

específico do novo produto. Esta foi reorganizada mais tarde para uma colaboração e articulação entre

várias áreas profissionais [3].

Desde o princípio da Revolução Industrial que as preocupações da indústria começaram a

inserir-se nos processos de fabricação e de organização da produção, a fim de responder à grande

procura, consequência do aumento repentino de população. Com a melhoria da produtividade, dos

meios produtivos, a redução dos custos de produção, a evolução da tecnologia de fabricação e o

crescimento dos mercados, as preocupações da indústria transferiram o seu enfoque para a qualidade

dos produtos. Seguidamente, com a contínua evolução tecnológica, a conceção do produto passa a

6

prioridade, aumentando as atenções na funcionalidade e estruturalidade, o que estimulou o

crescimento da participação da engenharia na conceção do produto. Mais tarde, a elaboração de

estudos comportamentais do cliente torna-se no fator principal na medida em que permitem identificar

e analisar as oportunidades de mercado e, por via disso, especificar as características do produto. O

aumento da competitividade entre as empresas, passa a estar centrado na satisfação das

necessidades do cliente e, consequentemente, transforma-se no fator principal no desenvolvimento do

produto [3][4].

Na década de 80 do século passado, o aparecimento da globalização dos mercados gerou um

aumento da procura por mais diversidade de produtos, em intervalos de tempo menores levando as

empresas a criarem novas metodologias, intensificando também o trabalho colaborativo no

desenvolvimento de produto. A engenharia concorrente foi uma das novas metodologias. O

desenvolvimento da microinformática deu origem a diversas tecnologias de base computacional que

viriam a ficar sempre relacionadas com o desenvolvimento de produto. No final do século XX, a gestão

de portfólios de produtos tornou-se a preocupação principal das empresas, onde a inovação dos

produtos já está incorporado ao planeamento estratégico das mesmas [3].

No século XXI, o aumento da globalização dos mercados e o desenvolvimento exponencial da

tecnologia levou ao melhoramento das comunicações a nível global e da indústria dos transportes.

Uma vez que as maiores preocupações do consumidor residem no tipo e preço do produto, as marcas

transferiram o seu local de produção para países com mão-de-obra mais barata, como a China e a

Índia. Até à última década, a China em particular, aumentou a mão-de-obra qualificada, garantindo

assim maior qualidade e especificações exigidas para o produto. Isto levou a que, em 2012, possuísse,

aproximadamente, 50% das exportações globais [5].

1.2 Áreas de conhecimento atuantes no desenvolvimento de produto

O desenvolvimento de produto é uma atividade interdisciplinar que requer a participação e

coordenação entre quase todos os departamentos de uma empresa. No entanto, há que dar relevância

aos três mais importantes, a saber:

• Marketing: Este departamento é responsável por fazer a ponte entre a empresa e o cliente.

Assim, tem a responsabilidade de detetar as oportunidades de mercado, definir os segmentos

de mercado e identificar as necessidades do cliente. Com base nestas informações, deve

também criar um preço alvo para o produto, acompanhar o lançamento e a promoção do

mesmo, garantindo assim o sucesso da comercialização [1].

• Conceção: A função deste departamento é garantir que o aspeto e as especificações do

produto correspondem às necessidades do cliente. Aqui se inclui a conceção de engenharia

(mecânica, elétrica, software, etc), onde é prioridade a funcionalidade e estruturalidade do

produto, e a conceção industrial (estética, ergonomia, ligação física e/ou lógica com o

utilizador) [1][3].

7

• Produção: Departamento que define, opera e/ou coordena a cadeia de produção capaz de

produzir o produto. Também é responsável pela compra da matéria-prima, distribuição e

instalação do produto [1].

Para produtos mais complexos, muitas vezes as empresas recorrem a serviços externos. Isto

porque podem ser necessários mais recursos que os existentes na empresa, ou que a empresa

consiga suportar. Colaboradores estes que podem ser consultoras, universidades e organizações

governamentais e sem fins lucrativos, entre outros [1].

1.3 Ciclo de vida do produto

O ciclo de vida de um produto é normalmente composto por cinco fases que podem ser

definidas de uma forma semelhante, tanto para o projetista como para o consumidor. [6][7].

A primeira fase é a imaginação, quando só existem ainda ideias na cabeça dos indivíduos. No

entanto, estas devem ser geridas de modo a não se perder informação ou ficarem mal percebidas. Na

fase da definição, as ideias são convertidas para uma descrição do produto mais detalhada. Nesta

fase, é necessário garantir que as especificações do produto satisfazem as necessidades do cliente.

No fim da fase da concretização, o produto já apresenta a sua forma final, podendo assim ser usado

por um consumidor. Esse processo de uso do produto pertence à fase do uso/suporte. Fase de uso

aos olhos do consumidor, mas fase de suporte para o projetista, que garante uma correta manutenção

do produto junto do cliente, tendo em conta o número de série do produto, a sua data de fabrico,

anteriores melhoramentos, mudanças no mercado e evolução técnica [6].

A quinta e última fase é a eliminação, caracterizada pelo desuso do produto que leva a

empresa a terminar a sua comercialização. Consequentemente, deve haver uma preocupação

ambiental adicional para que, por exemplo, componentes tóxicos ou envenenados não se aproximem

de fontes de água potável. Uma escolha mais consciente dos materiais do produto na fase de definição

ou a reutilização de peças, diminui riscos como o mencionado [6].

Já num ponto de vista de marketing, as cinco fases são definidas de diferente maneira. Assim,

têm-se as fases de desenvolvimento do produto, introdução no mercado, crescimento no mercado,

maturação no mercado e, finalmente, de declínio do volume de vendas que conduz à saída do

mercado. A identidade, preço e a estratégia de vendas devem ser analisadas e definidas conforme a

fase do ciclo de vida em que o produto se encontra [6].

Nos dias de hoje, com o aumento da procura por parte do consumidor, as empresas sentem a

crescente necessidade de lançar uma maior diversidade de produtos para o mercado, em intervalos

de tempo cada vez menores. Assim, o ciclo de vida do produto deve ser gerido por um departamento

próprio cuja função é interligar e supervisionar todos os outros. Este departamento tem como objetivo

aumentar as receitas do produto, reduzir o tempo de entrada no mercado, melhorar a qualidade do

mesmo, reduzir os seus custos e maximizar o valor do portfólio de produtos, presentes e futuros, quer

para os clientes como para os acionistas da empresa [6][7].

8

1.4 Integração dos fornecedores no desenvolvimento de produto

À medida que o ecossistema empresarial se torna mais competitivo e de rápidas mudanças,

as empresas, recorrendo a uma variedade de acordos comerciais e económicos, procuraram cada vez

mais fontes externas de inovação que ajudaram a garantir a sua competitividade. Tais acordos são de

importância prática porque poucas empresas, particularmente nas indústrias de manufatura, possuem

o leque de valências e de recursos necessários ao desenvolvimento de todas as partes que compõem

os seus produtos finais [8].

Entre os potenciais parceiros externos, os fornecedores são reconhecidos como uma

importante fonte de inovação. Numa ampla gama de indústrias de manufatura, as empresas que

trabalham em colaboração com seus fornecedores melhoraram a produtividade de várias formas e

conseguem uma variedade alargada de vantagens competitivas, incluindo a redução do tempo de

desenvolvimento de novos produtos, melhoria da qualidade e o serviço do produto, acesso a novos

mercados e tecnologias, e redução de custos [8-11].

Para que tal aconteça, é necessário tomar algumas precauções no que diz respeito ao tipo de

interação com os fornecedores. De acordo com a literatura, os fornecedores devem ser integrados na

equipa do projeto desde o início do seu desenvolvimento, ao invés de o fazer apenas numa fase mais

avançada. Por este motivo, é aconselhável começar por realizar uma avaliação aprimorada de

possíveis fornecedores. Os selecionados têm de garantir que as suas capacidades e recursos irão

beneficiar a eficácia e qualidade da equipa de desenvolvimento do produto, tal como terem uma cultura

compatível à da empresa contratante. Assim, é também importante construir conexões humanas

dentro da relação empresa contratante-fornecedor. Nestes casos, é comum que a interação seja

inicialmente entre os engenheiros responsáveis pelas partes técnicas [11].

O timing da envolvência dos fornecedores no projeto está relacionado com o nível de

responsabilidade no mesmo. Por um lado, fornecedores que entrem no início do projeto assumem uma

ampla responsabilidade de garantir que o componente/sistema projetado funcione corretamente no

produto global. Por outro lado, os fornecedores que assumem menos responsabilidades, preocupam-

se mais com questões de negócio relacionadas com reduções de custos de matéria-prima e/ou custos

de produção [11].

Os fornecedores envolvidos na fase de definição dos objetivos técnicos proporcionam à

empresa uma avaliação mais realista da viabilidade técnica do produto, chegando assim a expectativas

e metas mais fiáveis. Consequentemente, esperam-se resultados de design de maior qualidade e

menor custo, facilidade de fabricação e melhor posicionamento entre o componente fornecedor e a

arquitetura geral do produto [11].

9

1.5 Processo de desenvolvimento de produto

O processo de desenvolvimento de produto é uma sequência de etapas ou atividades que a

empresa desenvolve para conceber, desenhar e comercializar o produto. Estes passos nem sempre

são físicos, sendo também muitas vezes atividades intelectuais e organizacionais. No meio

empresarial, existem diversas empresas que se regem por um processo de desenvolvimento de

produto detalhado, no entanto os passos desse processo nem sempre são os mesmos para todas as

empresas, dependendo do tipo de projeto [1].

Todas devem definir os processos do desenvolvimento de produto de modo a garantir

qualidade no produto, coordenação entre departamentos, planeamento de todas as fases, gestão do

projeto durante todo o processo e documentação do mesmo, de forma a possíveis futuros

melhoramentos. De qualquer forma, um processo comum de desenvolvimento de produto começa com

o planeamento do projeto, passa pela conceção do produto e termina com o lançamento do produto

para o mercado. Segundo Ulrich & Eppinger [1], o desenvolvimento de produto pode ser dividido em

seis fases:

0. Planeamento: fase onde se avaliam as oportunidades de mercado, definem-se mercados-

alvo, consideram-se novas tecnologias, estrutura-se o produto, avaliam-se possibilidades de

produção, analisam-se cadeias de distribuição, definem-se objetivos para o planeamento e

delimitam-se os recursos necessários, assim como se determina a sua gestão.

1. Desenvolvimento do Conceito: nesta fase começa-se por identificar as necessidades do

cliente, determinar os produtos concorrentes e investigar se poderá existir algum impedimento

relacionado com patentes. Segue-se para o desenvolvimento de desenhos do produto e

respetivos protótipos, de maneira a testar a sua viabilidade.

2. Arquitetura do Sistema: partimos agora para o plano de desenvolvimento da área de

possibilidades do produto, definindo a sua arquitetura, subsistemas e interfaces, aprimorando

o seu design e começando por delinear os componentes de engenharia. Posteriormente é

necessário encontrar fornecedores, analisar a aceitação do produto e definir a montagem final

do mesmo.

3. Design: é nesta etapa que se define o plano de Marketing e, simultaneamente, se completa o

processo de configuração do produto, definindo a sua forma final, escolhendo os materiais e

estabelecendo as tolerâncias. De seguida, define-se o método de produção das peças e

ferramentas, assegurando a fiabilidade dos mesmos.

4. Controlo e Aperfeiçoamento: começa por se efetuar uma sucessão de testes a nível da

performance e durabilidade do produto, avaliar o impacto ambiental do mesmo e implementar

as alterações finais necessárias, de maneira a obter aprovação regulamentar. A nível de

manufatura, torna-se indispensável refinar o fabrico e montagem do objeto, formar os

trabalhadores e assegurar a garantia de qualidade. É também neste momento que se

desenvolve o plano de comercialização do produto.

5. Produção: numa fase final é vantajoso posicionar o produto junto do seu consumidor principal,

avaliar os resultados da fabricação preliminar e, por fim, dar início à cadeia de produção.

10

1.6 Desenvolvimento do conceito

De todas as fases do processo de desenvolvimento de produto, o desenvolvimento do conceito

é aquela que requer mais coordenação entre diferentes áreas. Este processo é normalmente gerido

de uma forma sequencial, isto é, cada fase ou tarefa tem de estar terminada antes de se avançar para

a próxima. No entanto, não significa que não se repitam fases anteriores, pois com nova informação

recolhida ou depois de resultados analisados e testes realizados, pode ser necessário retificar

conceitos e especificações do produto [1].

Durante quase todo o processo de desenvolvimento do conceito são requeridas noções

económicas e de mercado, de forma a não se afastar da missão do produto. Desta forma, será possível

estabelecer um equilíbrio entre os custos do desenvolvimento e de produção, com o desempenho e as

especificações técnicas do produto, satisfazendo as necessidades do cliente. Também será constante

a realização de diversas modelagens e prototipagens, que auxiliariam as decisões das fases do

conceito [1].

Nos próximos subcapítulos são apresentadas cronologicamente e explanadas cada uma das

fases do desenvolvimento do conceito.

Identificar e interpretar as necessidades do cliente

A identificação das necessidades do cliente é a base para se estabelecer as especificações

do produto e para gerar e selecionar os conceitos para o mesmo. Este processo poder ser dividido em

quatro passos.

Primeiramente, é necessário recolher informação do cliente sobre o produto, a qual pode ser

obtida por entrevistas individuais, entrevistas em grupo ou pela observação do produto em uso. Muitas

vezes, os recursos das empresas são insuficientes para aplicar todos os métodos de recolha de

informação, no entanto há diferentes vantagens em cada método, pois o comportamento das pessoas

difere de ambientes em grupo ou individualmente, facultando mais ou menos informação. E muitas

vezes a discussão de informações sobre produto gera novas ideias, problemas ou necessidades. É

importante também a presença física do produto para que o utilizador possa expressar as suas

necessidades e para que a explicação das mesmas seja mais clara, sendo relevante as reações de

surpresa por parte dos utilizadores e as expressões corporais dos mesmos. Para uma boa interação

com o cliente é vantajoso ter um guião de perguntas objetivas que conduzam o utilizador à informação

requerida, mas é necessário segui-lo à risca de modo a tornar o utilizador o interveniente principal. O

cliente a entrevistar ou a observar deve corresponder a um utilizador líder, de modo a minimizar

informação desnecessária, pois são estes que sentem as necessidades do produto meses ou anos

antes que a maioria do mercado, esperam beneficiar substancialmente das inovações do produto e

estão habituados a usar o produto, podendo assim ter já propostas de solução para as necessidades

[1].

11

Seguidamente, a interpretação da informação recolhida é um dos mais importantes passos

para garantir uma boa identificação das necessidades dos utilizadores. Para facilitar esta tarefa,

existem 5 ideias a ter em consideração:

Usar termos frásicos positivos e não negativos;

Clarificar a necessidade em termos do que o produto tem que fazer e não em como

devia fazê-lo;

Evitar usar termos como “tem de” ou “devia”;

Definir a necessidade com um atributo do produto;

Caracterizar a necessidade com toda a informação respetiva, recolhida do cliente [1].

Neste contexto é normal que se venham a conhecer novas necessidades referidas pelos

utilizadores, pelo que é preciso saber como organizar essas necessidades para uma melhor

determinação do que é fundamental. Para isso é aconselhável dividir as frases do segundo passo da

obtenção de necessidades numa tabela hierárquica, com necessidades primárias e secundárias. As

necessidades latentes, ou seja as que se descobriram sem que nenhum utilizador as tenha

mencionado, também devem ser assinaladas como tal, pois são um fator surpresa para o utilizador [1].

Por fim, como muitas vezes não é possível concretizar todas as necessidades por motivos de

custo ou recursos requeridos, é necessário estabelecer importâncias relativas às necessidades. O grau

de importância pode ser definido por questionário aos utilizadores ou mesmo pela equipa encarregue

de criar ou inovar o produto [1].

Definir objetivos para especificações

Com as necessidades dos clientes bem claras, define-se as especificações dos atributos a

serem implementados no produto com valores concretos e unidades. As necessidades devem ser

definidas por métricas, podendo mesmo cada uma delas ser caracterizada por mais que uma métrica.

Para concluir quais as especificações prioritárias, deve-se construir uma matriz com as necessidades,

especificações e graus de importância das necessidades, devidamente numeradas [1].

É também importante realizar uma análise do mercado, com o objetivo de recolher as

especificações dos produtos concorrentes. Assim, é possível inovar primeiro e garantir maior

satisfação da parte do cliente, concluindo quais as especificações que o mercado mais valoriza. Na

recolha das especificações é aconselhável a execução de testes e observações dos produtos

concorrentes em uso, pois não é incomum haver desatualização das especificações destes nos

catálogos disponíveis [1].

Com base nas métricas dos produtos concorrentes, criam-se objetivos com valores ideais para

o produto a desenvolver. No entanto, como normalmente é impossível verificar no produto todos os

valores exatos, criam-se por cima dos valores ideais margens aceitáveis para esses valores, definindo,

assim, os limites de métricas para as especificações requeridas [1].

12

Gerar Conceitos

Para uma mais eficiente criação de conceito é importante começar por clarificar o problema,

de modo a percebê-lo, e decompô-lo em subproblemas, caso seja necessário. Em seguida, deve ser

realizada uma pesquisa de soluções, quer externamente, utilizadores líder e restantes utilizadores

relevantes, quer internamente. Finalizando com uma organização sistemática, criando árvores de

classificação e tabelas de combinação para organizar ideias e sintetizar soluções soltas, até alcançar

uma solução final para o conceito [1].

Selecionar Conceitos

É nesta fase que são analisados todos os conceitos anteriormente gerados, determinados os

que mais se aproximam das especificações requeridas para o produto, comparadas as vantagens e

desvantagens de cada conceito, juntados e melhorados conceitos, e escolhidas as melhores soluções

para trabalhos futuros. A criação de uma matriz de seleção pode ser um apoio para uma classificação

de conceitos mais assertiva e precisa [1].

Testar Conceitos

São testados um ou mais conceitos, de modo a verificar se as necessidades do cliente são

satisfeitas, se o produto tem potencial no mercado alvo e identificar possíveis problemas que poderão

surgir durante o desenvolvimento do produto. Caso o produto não seja aceite pelo cliente, o projeto

deve terminar, não dando continuidade ao produto, ou, caso contrário, retrocede-se a fases anteriores

para corrigir as insuficiências [1].

Definir especificações finais

Depois de ser escolhido o melhor conceito para o produto, são definidas as suas

especificações finais, comparando como as especificações ideais anteriormente determinadas. De

modo a obter uma avaliação precisa das especificações, é necessário saber quais os constrangimentos

tecnológicos atuais e os custos de produção espectáveis, usando modelos analíticos e físicos. A

prototipagem é um método bastante usado, pois permite atingir uma proximidade real do produto final,

sendo possível testar a sua funcionalidade com mais assertividade. Os custos de produção englobam

uma lista dos materiais usados, assim como uma perspetiva de custos associados às ferramentas que

produzem o produto [1].

Tendo as especificações avaliadas e parametrizadas corretamente, comparam-se com as

especificações ideais anteriormente definidas e refinam-se as mesmas até ficarem determinadas as

especificações finais. O refinamento passa muito pelo equilíbrio entre custos, desempenho de produto

e os aspetos de maior valor para o cliente. Para facilitar este processo comparativo podem ser usadas

ferramentas como a lista de métricas, a matriz necessidades-métricas e gráficos e mapas de análise

comparativa de produtos competidores. Como nesta fase é importante uma boa perceção do mercado

e de custos associados ao produto, é também relevante que haja na equipa uma interação de membros

das diferentes áreas [1].

13

Planear o projeto

Nesta última fase do desenvolvimento do conceito, a equipa cria uma calendarização, define

uma estratégia que resulte numa diminuição do tempo do mesmo e identifica os recursos necessários

para a concretização do produto. As tarefas calendarizadas são relacionadas entre elas por

dependências, sendo organizadas sequencialmente, paralelamente ou acopladas entre si. A

diminuição do tempo para completar o projeto está relacionada com o maior trajeto de tarefas

dependentes [1].

É também nesta fase que se organizam os resultados de maior importância, de modo a

documentar toda a informação relevante para a equipa de gestão do projeto. Este documento contém

informações como a missão do produto, as necessidades do cliente, uma detalhada seleção dos

conceitos, as especificações finais do produto, a análise económica do produto envolvendo os seus

riscos, a calendarização para o desenvolvimento do produto, os recursos necessários e a estimativa

dos custos associados [1].

1.7 Prototipagem no desenvolvimento de produto

Neste capítulo é explicada a importância da criação de protótipos, no desenvolvimento de

produto, e são apresentados vários princípios para o desenvolvimento de protótipos. É ainda

apresentado um método para planear protótipos.

Antes de mais importa perceber como se define um protótipo, o que pode variar em função da

área de desenvolvimento. Por exemplo, um designer industrial produz protótipos para os seus

conceitos, um engenheiro faz protótipos para os seus desenhos e um software development escreve

programas protótipos. Não obstante, de uma forma geral um protótipo é sempre uma aproximação do

produto numa ou mais áreas de interesse. São disso exemplo os desenhos conceptuais, os modelos

matemáticos, as simulações e testes a componentes, e as versões protótipo pré-produção,

completamente funcionais [1].

Os protótipos são normalmente classificados em duas vertentes. Na primeira, a prototipagem

é definida como física ou analítica, onde a física corresponde à criação de artefactos tangíveis,

possíveis de testar e experimentar. Estes são muitas vezes usados para validar a funcionalidade do

produto. A prototipagem analítica corresponde ao desenvolvimento de protótipos não tangíveis,

normalmente em formato matemático ou visual, com o principal propósito de os analisar [1].

Na segunda vertente, a prototipagem é definida como abrangente ou focada. Os protótipos

abrangentes implementam a maioria ou mesmo todos os atributos do produto final, como é exemplo a

versão protótipo pré-produção, que é entregue a clientes para testes tendo em vista detetar falhas no

produto completo. No caso de os protótipos serem totalmente abrangentes, estes costumam ser

físicos. Os protótipos focados centralizam-se num ou poucos atributos do produto. Geralmente são

produzidos dois ou mais protótipos focados, com o intuito de analisar vários aspetos do produto como,

por exemplo, a aparência do produto ou a experiência do utilizador, sem despender recursos a

conceber um protótipo completo [1].

14

Os protótipos são concebidos com o propósito de aprender, comunicar, integrar e planear

objetivos para o produto. No processo de aprendizagem, são usados diferentes tipos de protótipos de

modo a perceber se o produto vai funcionar ou até que ponto vai satisfazer as necessidades do cliente.

No decorrer do desenvolvimento de produto, os protótipos facilitam a explicação e visualização das

suas características às várias áreas envolventes no projeto, auxiliando a discussão de ideias a

desenvolver e corrigir, e incentivando assim a integração das equipas do produto. Os protótipos

também podem ter a finalidade de definir e controlar etapas do desenvolvimento de produto. Estas

podem definir a continuação do projeto em função das atividades que estiverem dependentes. Por

exemplo, sem o sucesso do funcionamento total do protótipo, este não avança para produção [1].

Para o correto planeamento de um protótipo é essencial definir os seus objetivos, caracterizar

a sua tipologia e estabelecer o seu nível de aproximação ao produto final. Facilitando assim a escolha

dos parâmetros relevantes a implementar e a previsão de alguns dos resultados que daí advêm. De

modo a planear o processo de prototipagem, são definidas datas para a montagem de cada protótipo,

para os seus primeiros testes, para completar os testes e para a análise dos resultados finais [1].

Quando se define o tipo, objetivo ou planeamento de um protótipo, é importante conhecer

alguns dos princípios para a prototipagem. Protótipos analíticos, por exemplo, são mais flexíveis que

os físicos, pois são aproximações matemáticas do produto, sendo estas compostas por parâmetros

que podem variar. Esta variação possibilita, assim, o teste de várias alternativas exequíveis, mesmo

quando estas implicam a modificação completa do protótipo, o que seria mais demorado e dispendioso

aplicado a protótipos físicos [1].

Já os protótipos físicos são requeridos para detetar fenómenos inesperados. Alguns incidentes

nas propriedades dos protótipos físicos não influenciam o produto final e, por isso, são ignorados

durantes os testes. No entanto, os incidentes que têm influência confirmam a necessidade de ser

necessário a construção de pelo menos um protótipo físico no desenvolvimento de produto [1].

Os protótipos podem também reduzir o risco de elevados custos e tempos no desenvolvimento

de produto. Despendendo tempo para conceber e testar um protótipo, pode permitir à equipa do projeto

detetar falhas que, caso contrário, não seriam detetadas até se aplicar a um processo de

desenvolvimento dispendioso. Como é exemplo o fabrico de molde de injeção plástica [1].

Segundo Ulrich e Eppinger, sem se recorrer à prototipagem, a taxa de sucesso do produto é

de 70%. Caso contrário, seria 95%, pois após a prototipagem os primeiros erros de desenvolvimento

são evitados. Isto é especialmente importante para produtos que têm elevados riscos ou incertezas,

por envolverem elevados custos resultantes de falhas, novas tecnologias ou por se alterar a natureza

dos produtos [1].

Frequentemente, a criação de protótipos simples e rápidos em paralelo com o desenvolvimento

de produto, facilitam e reduzem tempos de outros processos. A criação de moldes é um exemplo, em

que a presença de um protótipo físico ajuda o projetista a visualizar e desenhar os moldes [1].

Relativamente às tecnologias no desenvolvimento de protótipos, as mais usadas são a

modelação e análise 3D CAD e a fabricação free-form. Desde os anos 90 do século passado, os

desenhos dos modelos são feitos em computador por modelação 3D CAD. Nestas são feitos desenhos

e extrudidas espessuras, criando assim modelos sólidos. Este tipo de programas facilitam a

15

visualização do modelo pensado em três dimensões, a criação de renders, adicionar propriedades

físicas ao produto, como a massa e volume por atribuição de materiais, eficiência da descrição do

produto em termos de vistas seccionadas e desenhos técnicos para a fabricação do produto. Esta

tecnologia veio também substituir alguns protótipos físicos, muitas vezes dispendiosos, pela

possibilidade de simular o produto montado com todas as peças, assim como detetar interferências na

montagem e no funcionamento do produto, a partir de simulações cinemáticas e dinâmicas e análise

estrutural das peças com cargas e condições exteriores ao produto [1].

A tecnologia de fabricação free-form, tem como base a criação de objetos físicos diretamente

dos modelos 3D CAD e pode ser visto como impressão tridimensional. Esta é denominada de

prototipagem rápida e tem como funcionalidade a construção de peças, depositando material camada

a camada ou usando um laser para solidificar seletivamente o líquido ou pó, que irá compor o protótipo.

Normalmente as peças resultantes são de plástico, mas atualmente já é possível imprimir em vários

materiais, como metais, cerâmicos ou papel. Quando bem usados, estes protótipos podem reduzir

significativamente o tempo de desenvolvimento do produto e melhorar a sua qualidade. Servem

também para produzir protótipos num menor espaço temporal e de forma não dispendiosa, melhorando

a compreensão e comunicação do produto com todas as equipas envolvidas no desenvolvimento de

produto, incluindo potenciais consumidores [1].

2. Metodologias e ferramentas de apoio ao desenvolvimento de produto

Nos dias de hoje, as necessidades de redução do tempo, manutenção da qualidade e do custo

competitivo, são os principais desafios sentidos no desenvolvimento do produto. Para os enfrentar,

surgiu o aparecimento de novas metodologias e ferramentas computacionais. Metodologias como a

Engenharia Concorrente/Simultânea, organizam as empresas de forma a interligar e coordenar o

trabalho realizado em cada área do desenvolvimento de produto. Já metodologias como o Design for

Manufacturing and Assembly, auxiliam o desenho do produto quanto ao processo de fabrico. Com a

evolução da informática surgiram ferramentas computacionais, como o CAD, CAE e CAM, que

proporcionaram uma aproximação de protótipos ao produto final, sem envolver custos elevados de

vários processos de prototipagem física, e facilitaram a comunicação e partilha de ideias entre as várias

áreas do projeto, agilizando assim o processo de desenvolvimento de produto.

Nos capítulos seguintes serão explicadas estas metodologias e ferramentas de apoio ao

desenvolvimento de produto.

16

2.1 Engenharia Concorrente/Simultânea (ECS)

Nos anos 70 e 80 do século passado, muitas empresas investiram na automação da produção

e na computação integrada na produção (Computer Integrated Manufacturing). Nessa altura, a

preocupação dos projetistas nas fases iniciais do desenvolvimento de produto era maioritariamente a

funcionalidade e o desempenho do produto, deixando as considerações de produção para as fases

mais adiantadas [12]. Além disto, cada departamento da empresa continuava com a preocupação de

reduzir os seus próprios custos, sem se relacionar obrigatoriamente com os outros departamentos [13].

Apesar dos investimentos tecnológicos feitos na indústria, não houve as esperadas melhorias

nos rendimentos das empresas. Assim, em 1986, o departamento de Defesa Americano deu origem e

trabalhou o conceito da Engenharia Concorrente (EC) com a criação do Computer-Aided Acquisition

and Logistics Support. Este representava a união entre o departamento de defesa e várias empresas

pertencentes à indústria de armas dos USA, proporcionando uma integração de todos os subsistemas

no produto final, durante a fase de desenvolvimento. A filosofia da engenharia simultânea (ES), definida

pela simultaneidade de processos, surgiu na indústria europeia como resposta à vantagem das

empresas Japonesas no lançamento de novos produtos. Contudo, a diferença entre a EC e a ES é

insignificante, razão pela qual, neste trabalho, estas filosofias estarão sob o termo de Engenharia

Concorrente/Simultânea (ECS) [13].

A ECS visa a realização simultânea do design do produto e do design do processo, que

geralmente envolve a formação de equipas multifuncionais. Esta abordagem organizacional permite

que engenheiros e gestores de diferentes áreas trabalhem em conjunto e, simultaneamente, no

desenvolvimento do design de produtos e processos. ECS é também considerada uma estratégia de

negócio, que substitui o processo tradicional de desenvolvimento de produtos para que as tarefas

sejam realizadas em paralelo. Todas as definições de ECS, no entanto, têm os mesmos objetivos.

Estes são a redução do tempo total do ciclo de vida do produto, do tempo de entrega e do custo, com

um objetivo secundário de aumentar a qualidade do produto. Além disso, a globalização e a crescente

complexidade do produto exigem que haja uma atenção mais séria à ECS como uma abordagem útil

[12][13].

A engenharia de custos, por exemplo, é crucial como componente básica da ECS. Muitas

empresas que procuram soluções de produção mais económicas, primeiro determinam o lucro total e

só depois é feito o planeamento e agendamento adequado do projeto. O agendamento é uma atividade

bastante complexa devido à panóplia de variáveis que devem ser consideradas. Para um planeamento

preciso, é também exigido a determinação de uma enorme quantidade de detalhes com antecedência.

No entanto, o principal desafio é que a ECS deve sempre considerar as mudanças na engenharia do

projeto, como a alteração das especificações, a evolução da complexidade e os mecanismos de

trabalho em equipa. Considerações estas necessárias para uma boa implementação da ECS, onde o

sistema de produção da empresa precisa de ser mais flexível para produzir uma variedade de produtos.

Este requisito pode levar, por exemplo, à substituição de máquinas-ferramentas especializadas para

umas universais [5][12][13].

17

A engenharia colaborativa é uma abordagem de negócios sistemática desenvolvida a partir da

ECS e é projetada para a utilização colaborativa de recursos e informações entre grupos

multidisciplinares, ou mesmo múltiplas empresas em todo o mundo, em tempo real [12][13].

2.2 Design For X (DFX)

Como já abordado anteriormente, para se ter uma produção competitiva é necessário ter uma

compreensão clara das necessidades do cliente, tendo em conta as alterações do mercado, de modo

a conseguir-se projetar um produto que satisfaça essas mesmas necessidades. Para isso é preciso

perceber que materiais e processos resultarão num produto com elevada qualidade e de rápida e

económica produção. É também requerido que este produto seja projetado e produzido de modo a que

seja seguro, útil, funcional e fácil de inspecionar e de efetuar a sua manutenção, ao longo do seu ciclo

de vida. O conjunto destas considerações podemos definir como Design For X. Identifica-se,

seguidamente, as suas principais atividades, as quais exigem grande interação e troca de impressões

em todas as fases: [5]

1. Necessidades e funções do utilizador e do mercado;

2. Conceitos e escolha dos princípios do desenho do produto;

3. Identificação de materiais e processos;

4. Análise do projeto e respetivos processos e modificações a fazer no projeto;

5. Requisitos de qualidade;

6. Análise dos métodos de montagem e desmontagem;

7. Modelos e desenhos de engenharia detalhados;

8. Análise económica e estimativa de custo de produção;

9. Desenvolvimento de um protótipo;

10. Teste de engenharia e redesenho;

11. Viabilidade de projeto;

12. Produção;

13. Controle de produção e distribuição [5].

2.3 Design For Manufacture and Assembly (DFMA)

Tradicionalmente, prevê-se que um projetista tenha a capacidade de criar o produto com uma

clara perceção dos processos de fabrico, de modo a evitar custos de produção acrescidos. No entanto,

esta simplicidade nem sempre é possível por várias razões como, por exemplo, projetos demasiado

complexos que exigem uma elevada quantidade de recursos, tempos reduzidos para o lançamento de

produtos no mercado, falta de cooperação entre os projetistas e os responsáveis pela produção e

processos de fabrico mais sofisticados [14].

De modo a contrariar estes problemas, o Design For Manufacture and Assembly (DFMA), veio

reforçar a integração dos técnicos de produção com a equipa do projeto, onde a EC já está

implementada, desde o início do ciclo do projeto. Pela regra dos 80/20, equipas gastam 80% do seu

18

tempo em 20% dos problemas relativos à produção e desenho do produto. O DFMA ajuda a equipa a

perceber quais são esses 20% com assertividade [14].

DFMA pode ser definido por um procedimento sistemático com o objetivo de, analisando as

ideias do projeto, apresentar às empresas todos os processos de produção, assim como reduzir ao

máximo o número de peças a montar. Tem início no desenho do conceito, seguido do desenho da

montagem. Após tentativas para a simplificação da estrutura do produto e retificadas no desenho do

conceito, segue-se a seleção dos materiais e dos processos de produção, assim como estimativas

iniciais dos custos do produto. Esta seleção pode também alterar o desenho do conceito, com a

finalidade de reduzir custos nos materiais e/ou nos processos de produção. Depois de feitas todas as

correções necessárias, chega-se ao melhor conceito do produto. Decisão tomada, avança-se para a

análise do desenho mais detalhado da produção, visando a redução dos custos de fabrico. Finalmente,

é possível dar início à prototipagem e, posteriormente, à produção do produto [14].

Resumidamente, o DFMA é a integração do Design For Assembly com a implementação inicial

do Design For Manufacture [14].

2.4 Ferramentas computacionais (CAD/CAE/CAM)

O mundo empresarial já percebeu que o desenho interativo de um produto é a ferramenta mais

eficiente para a análise do desenvolvimento do produto e dos respetivos processos de produção. Deste

modo, o uso da internet e dos programas CAD/CAE/CAM proporcionam a criação de uma base de

dados visual, design industrial geométrico e, consequentemente, uma economia nos custos e na

duração do projeto. Estes programas têm a capacidade de criar modelos virtuais em 3D, manipulando-

os para diferentes vistas, levando a melhoramentos das suas características técnicas, assim como nas

não técnicas [15].

O CAD é a única ferramenta independente, criando os modelos virtuais. Já o CAE e o CAM

precisam do ficheiro CAD para funcionar devidamente. Estas ferramentas são uma mais-valia para que

qualquer designer, engenheiro ou operário de maquinaria de produção desempenhe a sua função

diária com mais facilidade e de um modo mais eficiente. No entanto, é de notar que a utilização da

maioria destes programas requer licenças. Estas podem ser bastante dispendiosas, chegando mesmo

a vários milhares de euros [15].

Seguidamente, as ferramentas computacionais acima referidas são explanadas em detalhe.

2.4.1 Desenho assistido por Computador (CAD)

O programa CAD é uma tecnologia computacional que desenha o produto e documenta esse

mesmo processo. Através de vetores, formas e geometrias, é possível produzir, modificar e otimizar

desenhos em 2D e 3D. Estes podem ser manipulados para qualquer ângulo de visão, mesmo numa

perspetiva de dentro para fora [16].

O CAD é usado em diferentes aplicações como a indústria automóvel, construção naval,

indústrias aeroespaciais, arquitetura, próteses, entre outras. Deste modo, é uma das muitas

19

ferramentas utilizadas por engenheiros e designers, proporcionando-lhes um aumento da

produtividade, melhoramento da qualidade do desenho e facilitando o processo de produção, através

da partilha de informação detalhada sobre os materiais, processos, tolerâncias e dimensões de

produto. Assim, o CAD permite às empresas explorar ideias modeladas antes da implementação de

prototipagem física [16].

O CAD é uma parte de toda a atividade de desenvolvimento de produto digital nos processos

PLM (Product Lifecycle Management) e, como tal, os programas de CAD são usados em conjunto com

outras ferramentas como a CAE, CAM, renderização realista de fotos e a gestão de documentos, e

controlar a sua revisão usando o gerenciamento de dados do produto [16].

2.4.2 Engenharia Assistida por Computador (CAE)

As ferramentas do CAE são usadas para, por exemplo, analisar a robustez e o comportamento

das peças e assemblagens. O termo engloba simulação, validação e otimização dos produtos e das

ferramentas de produção. Na engenharia em geral, as tarefas do CAE começam no pré-

processamento, onde é definido o modelo e as condições de fronteira a aplicar, segue-se a análise

dos dados pelo Solver e termina no pós-processamento dos resultados [16].

Os softwares CAE são também conhecidos na engenharia por incluírem análise de elementos

finitos, dinâmica de fluídos computacional, dinâmica de sistemas e otimização. São sistemas

individualmente considerados como nós singulares inseridos numa rede completa de informações, e

cada nó pode interagir com outro nó na rede. Esses nós têm um papel fundamental no método dos

elementos finitos, onde utilizam a geometria do modelo existente para construir uma rede nodal no seu

todo. Só assim é possível determinar o comportamento real do modelo, dependendo dos parâmetros

inseridos. A maioria destes parâmetros são utilizados na simulação e estão relacionados com o

envolvimento exterior e com as interações com o modelo durante a operação, como por exemplo,

temperatura, pressão, contacto entre componentes e forças aplicadas [16].

20

21

III. Conceção do produto em colaboração com a Fapil

1. Descrição do produto e enquadramento com a Fapil

A Fapil - Indústria, S.A., é uma empresa especializada na produção industrial e distribuição de

plásticos e produtos de limpeza domésticos. Com elevada capacidade produtiva, as suas unidades

fabris estão ao nível das mais modernas da Europa, estando presente em todas as cadeias de

distribuição. Inserida num mercado altamente concorrencial, tendo nos países emergentes a sua

principal ameaça decorrente dos baixos custos de produção, especialmente dos custos de mão-de-

obra, a Fapil aposta na inovação, na eficiência dos processos de fabrico e na qualidade dos produtos

para manter a sua competitividade e fidelizar os clientes.

O atual objetivo da Fapil é aumentar a faturação no mercado internacional, com os seus

produtos e com a fabricação de produtos de marca própria para distribuidores, nunca deixando de

investir na produção e na inovação.

Uma vez que considera a inovação como fator-chave para o sucesso, a Fapil procura

desenvolver projetos com universidades. É neste contexto que se insere este trabalho.

O produto a desenvolver é uma esfregona rotativa. Tendo as esfregonas como finalidade

limpar e remover líquidos, sujidade e poeiras, de superfícies, a esfregona rotativa constitui a inovação

mais recente neste tipo de produto, cujos principais desenvolvimentos foram nos filamentos da

esfregona, com um aumento significativo da capacidade de absorção, e no mecanismo de secagem,

por centrifugação com o cesto rotativo. Em relação às esfregonas convencionais apresenta várias

vantagens, destacando-se a maior facilidade e rapidez na secagem dos filamentos da esfregona, com

o consequente aumento da produtividade dos utilizadores.

Os componentes relevantes de uma esfregona rotativa são identificados na figura 1.

Figura 1 - Esfregona rotativa e respetivo balde.

Pega

Cabo Travamento do mecanismo

de rotação no cabo

Base

Filamentos

da esfregona

Encaixe da esfregona

com o cesto Cesto

Proteção contra

salpicos

Balde

Pega

Rodas

Mecanismo

de pé

22

Para um melhor entendimento da importância destas novas tecnologias e poder continuar a

melhorá-las, é necessário perceber a evolução das esfregonas.

No final do século XV foi criada a esfregona com o objetivo de facilitar a limpeza dos

pavimentos, pois até esta época os pavimentos eram limpos manualmente com panos. Com a

introdução do cabo, o utilizador passou a ser capaz de fazer a limpeza de pé e, ainda, alcançar espaços

de difícil acesso e maior alcance. Desde então foi melhorado o material dos filamentos das esfregonas,

passando por lãs, tecidos, esponjas e tecidos de microfibras, com o objetivo de melhorar a absorção.

Nos anos 90 do século XX, foi inventado um novo mecanismo para espremer a esfregona,

porque até então a esfregona era espremida manualmente. O mecanismo desenvolvido consistia na

compressão e torção dos filamentos apenas com o manuseamento do cabo, de que são exemplo as

esfregonas 1 e 2 da figura 2. Esta inovação revelou-se de grande utilidade na medida em que permitiu

que o utilizador se distanciasse do contacto direto com os químicos dos produtos de limpeza e com a

sujidade a limpar, assim como dos objetos cortantes que estejam nos filamentos. Em suma, aumentou

decisivamente a higiene e segurança dos utilizadores, bem como a sua produtividade.

Mais tarde foi introduzido o espremedor no balde, como mostrado na imagem 3 da figura 2,

sendo esta inovação revolucionária no mundo dos produtos domésticos, tornando-se no conjunto

esfregona e balde que ainda permanece nos dias de hoje.

As inovações posteriores incidiram particularmente na criação de mecanismos que

otimizassem o processo de secagem da esfregona, facilitando a sua utilização, de que são exemplos

os conjuntos de balde e esfregona das restantes imagens da figura 2.

Atualmente, o mecanismo de secagem das esfregonas mais eficaz e eficiente é por

centrifugação, como nas esfregonas rotativas. Isto porque implica menos força aplicada e possibilita

maior rapidez para espremer a esfregona, assim como o aumento significativo da secagem dos

filamentos, quando comparado com os outros mecanismos.

1 2 3 4 5

Figura 2 - Mecanismos de espremer esfregonas.

23

Contudo, estes mecanismos ainda têm um custo elevado para o mercado, de modo que os

desenvolvimentos ainda por fazer passam pela minimização de custos de produção e/ou processos de

montagem. Sendo objetivo da Fapil comercializar o produto fabricado internamente nas suas

instalações com um preço competitivo para o mercado, há um forte investimento no desenvolvimento

de uma esfregona rotativa, com um mecanismo de secagem que implique menores custos de mão-de-

obra, associados a mais fáceis processos de montagem.

2. Metodologia da realização da tese

O presente trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de produto, mais especificamente,

de uma esfregona rotativa que seja produzida e montada internamente na Fapil. O foco será no

melhoramento da facilidade de secagem, redução do custo de produção e de montagem. Para melhor

compreensão do processo deste trabalho será apresentada a metodologia geral utilizada, assim como

a participação dos parceiros e as ferramentas para a sua realização.

Tendo em conta as várias fases do processo de desenvolvimento de produto, apresentadas

no subcapítulo I-1.5, este trabalho insere-se no desenvolvimento de conceito. Como este produto foi

desenvolvido em parceria com a Fapil, a fase anterior ao desenvolvimento de conceito, onde é

realizada a análise das oportunidades de mercado e o planeamento deste projeto, foi efetuada

previamente pela própria empresa. É também por este motivo que neste estudo foram utilizados os

princípios da ECS, aplicando o paralelismo de tarefas e a integração das pessoas envolventes no

projeto, de forma a facilitar a comunicação e a troca de informação.

Na figura 3 é representada a metodologia geral deste trabalho, sendo esta uma adaptação do

processo genérico de Eppinger, onde primeiramente é abordada a descrição do produto (subcapítulo

III-1). Neste subcapítulo foi realizado trabalho de investigação sobre as esfregonas em geral,

percebendo a sua evolução até chegar às esfregonas rotativas. Em maior detalhe foram analisadas as

esfregonas rotativas, de forma a identificar os principais componentes da mesma, assim como

perceber o seu objetivo e funcionalidade. Sendo a Fapil uma das maiores fontes de informação para

este projeto, é também realizado neste subcapítulo um enquadramento à empresa.

No subcapítulo III-3 são realizados o levantamento de requisitos e o desenvolvimento de

conceitos, aplicando a metodologia de desenvolvimento de conceitos. Para o levantamento de

requisitos, foram entrevistados e observados os utilizadores líder do produto, onde vários

colaboradores da Fapil estão englobados, de forma a identificar e interpretar as necessidades do

cliente. Estas são organizadas por grau de importância e transformadas para métricas, definindo assim

especificações do produto. São ainda apresentadas as especificações dos produtos concorrentes,

juntamente com os valores ideais propostos para a esfregona rotativa a desenvolver.

No desenvolvimento de conceitos foram pesquisados e descritos vários conceitos, com o

objetivo de satisfazer as especificações do produto. De seguida, foram selecionados os melhores

conceitos para cada especificação e, por fim, foi definido o conceito final do produto a desenvolver nos

restantes capítulos, discutindo os seus resultados com a Fapil.

24

Figura 3 - Metodologia geral.

Utilizadores

líder

Fapil

Fapil

Fapil

Blocks

Fapil

Fapil

Fapil

→Custos do processo de injeção

→Custos da montagem do produto

→Custos totais

→Análises de sensibilidade

→Definição dos componentes e do

funcionamento do produto

→Estudo e desenvolvimento das

engrenagens plásticas do NMSEC

→Alterações da geometria para

produção por moldes de injeção

plástica

→Descrição e produção dos protótipos

→Análise dos resultados dos protótipos

→Análise das especificações ideais

predefinidas

→Geração de conceitos

→Seleção de conceitos

→Definição do conceito Final

→Identificação e interpretação de

necessidades

→Definição das especificações do

produto

→Avaliação de conjuntos esfregona

rotativa concorrentes e definição das

especificações ideais

→Evolução das esfregonas

→Identificação dos componentes

principais da esfregona rotativa

→Objetivo e funcionalidade

SolidWorks (CAD)

Cura (CAM)

SolidWorks (CAD)

KISSsoft (CAE)

Métodos de

Desenvolvimento

de Conceito

Trabalho de Investigação

Trabalho de Investigação

Métodos de

Desenvolvimento

de Conceito

Trabalho de Investigação

Descrição do

produto

Levantamento de

requesitos

Desenvolvimento

de Conceitos

Desenho da

Geometria do

Produto

Testes e

Prototipagem

Custos de

Produção

25

A fase do desenho da geometria do produto inicia o capítulo de Implementação do conceito

(subcapítulo III-4), onde são explanados a constituição e o funcionamento do novo conjunto esfregona

rotativa, mais especificamente do novo mecanismo de secagem da esfregona por centrifugação

(NMSEC). Para o efeito, foi necessário realizar o estudo e desenvolvimento de todo o sistema de

engrenagens que o compõe, tendo em conta os seus materiais. Sendo o plástico o material das

engrenagens, a simples utilização de equações específicas para engrenagens metálicas não podem

ser usadas para plásticos. Assim, para o dimensionamento do sistema de engrenagens foi utilizada a

ferramenta computacional CAE. Aplicando a metodologia do Design for Manufacturing and Assembly

e discutindo as formas finais das peças com a Fapil, foram ainda modificadas algumas dessas, de

forma a serem todas possíveis de produzir pelo processo de moldes de injeção plástica. Para o

desenho de todas as peças e para aplicar alterações como as acima mencionadas ou como as

aplicadas aos protótipos, foi usada a ferramenta computacional CAD.

No subcapítulo III-4 são apresentados, explicados e analisados todos os protótipos realizados

para o desenvolvimento do novo conjunto esfregona rotativa, começando pelos analíticos e terminando

nos físicos. No fim deste subcapítulo, são ainda avaliadas as especificações finais do produto,

seguindo-se a respetiva análise. Sendo os protótipos físicos impressos em 3D, foi necessário um

investimento da Fapil para produzir o maior e mais abrangente protótipo. Este foi produzido pela

Blocks, empresa esta que forneceu suporte em todas as impressões dos protótipos. Para que as peças

sejam impressas é preciso codificar os dados do CAD do protótipo físico para uma linguagem que a

impressora 3D os consiga interpretar. Para isso foi aplicada a ferramenta computacional CAM.

Por último, são calculados os custos de produção do produto, onde são apurados os custos

associados ao processo de injeção, os custos da montagem do produto, os custos totais e, ainda,

realizadas análises de sensibilidade, tendo em consideração o volume de produção e os custos dos

moldes. Uma vez que a produção do produto será levada a cabo pela própria Fapil, todos os dados

utilizados na análise de custos foram disponibilizados pela mesma.

Como já referido na descrição da metodologia geral, foram usadas várias ferramentas

computacionais, como software CAD, CAE e CAM. Apresentam-se, de seguida, os softwares utilizados

neste trabalho, com o resumo da sua aplicação:

- SolidWorks (CAD) – na implementação do conceito de forma a desenhar todos os componentes

do novo conjunto esfregona rotativa, concebidos no desenvolvimento do conceito, e a desenhar

os novos protótipos, alterando as peças anteriormente desenhadas.

- KISSsoft (CAE) – na implementação do conceito para analisar e definir os parâmetros das

engrenagens plásticas do novo mecanismo de secagem da esfregona por centrifugação. Também

possibilitou o desenho das engrenagens de forma automática, podendo ser exportados os modelos

3D resultantes para o SolidWorks.

- Cura (CAM) – na implementação do conceito para programar a impressora 3D a imprimir os

modelos do novo conjunto esfregona rotativa.

26

3. Levantamento de Requisitos e Desenvolvimento de Conceitos

Neste capítulo são apresentadas e interpretadas as necessidades do cliente para a esfregona

rotativa. Estas são organizadas por grau de importância e, em seguida, são definidas as respetivas

especificações por métricas. Posteriormente, são apresentadas as especificações do produtos

concorrentes, juntamente com os valores ideais propostos para a esfregona rotativa a desenvolver.

São também apresentados e descritos os vários conceitos gerados, com o objetivo de satisfazer as

especificações do produto. Por fim, são selecionados os conceitos a serem desenvolvidos nos

restantes capítulos.

3.1 Identificação e interpretação de necessidades

A esfregona tem como funcionalidade a limpeza de superfícies e sendo este utensílio

destinado a qualquer tipo de utilizador, são definidos os utilizadores líder, aqueles que usam a

esfregona com mais frequência.

No presente estudo, este conjunto de utilizadores líder são profissionais de limpeza,

empregadas domésticas e o cidadão no geral que use a esfregona mais que duas vezes por semana,

dando especial atenção a pessoas com mobilidade/comodidades reduzida, como idosos. Como

profissionais de limpeza foram consideradas as seguintes entidades:

✓ Fornecedores de produtos de limpeza da Fapil;

✓ Funcionários da limpeza das instalações da Fapil. Têm a mais-valia de estarem acostumados

a utilizar diferentes tipos de esfregonas, incluindo as rotativas;

✓ Funcionários da limpeza das instalações do Instituto superior Técnico;

✓ Profissionais da Fapil. Têm a vantagem de já terem testado os produtos existentes no mercado

e avaliaram o produto com o know-how e experiência que detêm na matéria.

A metodologia seguida no estudo privilegiou as entrevistas em grupo e com a utilização física

dos produtos. No Anexo 1 consta o guião seguido nas entrevistas.

No decurso das entrevistas, o manuseamento do produto pelo entrevistado provocou um à-

vontade no grupo, originando várias críticas, comentários positivos, preferências e sugestões. Por

outro lado, o entrevistador conseguiu também identificar outras necessidades do utilizador que, por

vezes, resultaram da má utilização do produto.

Pelo facto da esfregona a desenvolver ser rotativa, nas entrevistas foram utilizados vários

conjuntos já existentes de esfregona rotativa e balde com diferentes mecanismos, o que permitiu

conhecer e avaliar o estádio de desenvolvimento atual deste tipo de soluções. Também foram

utilizados modelos de esfregonas não rotativas como, por exemplo, a ilustrada na imagem 3 da figura

2. O recurso a este modelo de esfregona permitiu identificar as suas necessidades mais relevantes e

tomar conhecimento de algumas transformações sofridas ao longo do tempo que antecederam a

esfregona rotativa.

27

No final, foi possível constatar que os entrevistados conseguiram analisar e avaliar o grau de

satisfação que os produtos proporcionaram, usando o produto e observando outros a manuseá-lo. Em

função destes resultados foi possível detetar as necessidades a satisfazer.

Toda a informação recolhida é apresentada na tabela 1, com a respetiva interpretação da

necessidade.

Tabela 1 - Listagem das observações dos cliente referente às esfregonas e

respectiva interpretação para necessidades do produto.

Observação do cliente Necessidade interpretada

Esfregona da imagem 3 da figura 2

- Não espreme bem a água da esfregona - A esfregona espreme bem toda a água

- É difícil de espremer a esfregona - A esfregona é fácil de espremer

- Não tenho força para espremer bem a água - É aplicada pouca força para espremer a esfregona

Esfregona rotativa e respetivo balde

- Tenho que me apoiar para dar ao pedal - O balde é livre de mecanismo com pedal

- Travamento na parte superior da esfregona é mais confortável que em baixo

- A esfregona tem travamento na zona superior do cabo

- Prefiro o travamento de patilha - A esfregona tem travamento de patilha

- Preferia que não tivesse o travamento - A esfregona é livre de travamento

- Prefiro que o mecanismo de rotação não seja no cabo

- A esfregona é livre de mecanismo de rotação no cabo

- Sem proteção no cesto rotativo a água sai do balde - O balde tem proteção no cesto rotativo contra salpicos

- Os baldes com dois compartimentos para a água, a água limpa acaba por ficar contaminada na mesma

- O balde tem um compartimento para a água

- Gosto da base da esfregona quando encaixa perfeitamente no cesto do balde

- A esfregona encaixa facilmente no cesto do balde

- A base da esfregona não passa atrás dos lavatórios e sanitas

- A esfregona passa por espaços pequenos

- Gosto do balde com rodas - O balde tem rodas

- O balde cheio de água é muito pesado para mover de sítio

- O balde é fácil de mover estando cheio de água

- Preferia que a esfregona girasse sozinha quando meto no cesto do balde

- A esfregona seca por um mecanismo automático

- Gosto do reservatório de detergente no balde - O balde tem reservatório de detergente

- Gostava de receber a temperatura da água no meu telemóvel

- A temperatura da água é disponibilizada numa App para smartphones

- Gostava de ser avisado se a água já está suja pelo telemóvel

- A sujidade da água é disponibilizada numa App para smartphones

- Gostava de ser avisado se o nível de água no balde está correto no meu telemóvel

- O nível de água no balde é disponibilizado numa App para smartphones

- Gosto do balde robusto e resistente - O balde é robusto e resistente

28

A interpretação das observações do utilizador obedeceu ao método apresentado no ponto 1.6,

do capítulo II, o que permitiu clarificar, mediante o recurso a afirmações positivas, as necessidades do

produto quanto ao objetivo e função do mesmo.

Por exemplo, na situação em que o utilizador se queixa que tem que fazer muita força para

espremer a esfregona, a necessidade interpretada simplifica a contestação ao seu ponto-chave, a

força, e transforma-a num atributo da esfregona. No caso, a necessidade pode ser definida por ser

aplicada pouca força para espremer a esfregona.

Por último, são apresentadas por ordem de importância as necessidades da esfregona

identificadas na tabela 1. Para o efeito, começou-se por agrupar as necessidades em dois grupos em

função da similitude do problema/necessidade a resolver/satisfazer. Esses grupos são:

a) A esfregona espreme bem toda a água.

b) O balde é robusto e resistente.

O grau de importância de cada necessidade é representado pelo número de asteriscos, sendo

três asteriscos muito importante e zero asteriscos menos importante. O principal critério utilizado na

atribuição dos asteriscos foi o número de referências a essa necessidade mencionada nas entrevistas.

A esfregona espreme bem toda a água

***A esfregona é fácil de espremer

***É aplicada pouca força para espremer a esfregona

***O balde é livre de mecanismo com pedal

**A esfregona passa por espaços pequenos

* A esfregona é livre de travamento

*A esfregona tem travamento de patilha

**A esfregona tem travamento na zona superior do cabo

**A esfregona é livre de mecanismo de rotação no cabo

A esfregona seca por um mecanismo automático

A temperatura da água é disponibilizada numa App para smartphones

A sujidade da água é disponibilizada numa App para smartphones

O nível de água no balde é disponibilizado numa App para smartphones

O balde é robusto e resistente

***O balde tem proteção no cesto rotativo contra salpicos

***A esfregona encaixa facilmente no cesto do balde

**O balde é fácil de mover estando cheio de água

*O balde tem um compartimento para a água

*O balde tem rodas

O balde tem reservatório de detergente

29

3.2 Definição das especificações do produto

Para a correta definição das especificações do produto, importa, antes de mais, transformar

as necessidades identificadas nas fases anteriores em características que o produto deverá

apresentar. Assim e em primeiro lugar, importa enumerar as necessidades, identificar os componentes

e atribuir-lhe grau de importância numérico, sendo 5 o mais importante e 1 o menos importante. Deste

trabalho, resulta a tabela 2, seguidamente apresentada.

Tabela 2 - Listagem das necessidades da esfregona com os respetivos graus de importância.

Nº Componente Necessidade Imp

1 Conjunto esfregona Espreme bem toda a água 5

2 Conjunto esfregona É fácil de espremer 5

3 Conjunto esfregona É aplicada pouca força para espremer a água 4

4 Balde É livre de mecanismo com pedal 4

5 Esfregona Passa por espaços pequenos 3

6 Cabo É livre de travamento 2

7 Cabo Tem travamento de patilha 2

8 Cabo Tem travamento na zona superior do cabo 3

9 Conjunto esfregona É livre de mecanismo de rotação no cabo 3

10 Conjunto esfregona Seca por um mecanismo automático 1

11 Conjunto esfregona A temperatura da água é disponibilizada numa App

para smartphones 1

12 Conjunto esfregona A sujidade da água é disponibilizada numa App

para smartphones 1

13 Conjunto esfregona O nível de água no balde é disponibilizado numa

App para smartphones 1

14 Balde É robusto e resistente 5

15 Balde Tem proteção no cesto rotativo contra salpicos 5

16 Conjunto esfregona A esfregona encaixa facilmente no cesto do balde 4

17 Balde É fácil de mover estando cheio de água 3

18 Balde Tem um compartimento para a água 3

19 Balde Tem rodas 3

20 Balde Tem reservatório de detergente 2

Com as necessidades bem claras e organizadas por grau de importância, são definidas

métricas que traduzem quantitativamente as necessidades. Por outras palavras, as métricas são a

unidade de medida de cada necessidade, permitindo, assim, conhecer e avaliar as especificações do

produto.

Na posse de todas estas informações, estão agora reunidas as condições para apresentar as

especificações da esfregona rotativa a desenvolver.

30

Tabela 3 - Listagem das métricas referentes às necessidades.

Nº da Métrica

Nº da Necess

Métrica Imp Unid

1 1 Água nos filamentos da esfregona 5 %.

2 1 Velocidade da 1ª rotação da esfregona 5 ms-1

3 1 Velocidade máxima de rotação da esfregona 5 ms-1

4 2 Experiência do utilizador 5 [1,5]

5 2, 3 Força máxima a aplicar na esfregona confortavelmente 5 N

6 4 Mecanismo de pé no balde 4 [0,1]

7 5, 16 Largura da base da esfregona 3 mm

8 6 Travamento 2 [0,1]

9 7 Tem travamento de patilha 2 [0,1]

10 8 Altura do travamento 3 mm

11 9 Mecanismo de rotação no cabo 2 [0,1]

12 10 Mecanismo automático 1 [0,1]

13 11 A temperatura da água é disponibilizada numa App para smartphones 1 [0,1]

14 12 A sujidade da água é disponibilizada numa App para smartphones 1 [0,1]

15 13 O nível de água no balde é disponibilizado numa App para smartphones 1 [0,1]

16 14 Rigidez do balde 5 [1,4]

17 14 Espessura média do balde 5 mm

18 14 Espessura média do cesto 5 mm

19 15 Proteção contra salpicos 5 [0,1]

20 16 Folga entre o cesto do balde e a base da esfregona, quando encaixada 4 mm

21 17 Altura da pega do balde ao fundo do balde 3 mm

22 17 Peso do balde cheio 3 Kg

23 18 Nº de compartimentos para a água 3 Nº

24 17, 19 Nº de rodas 3 Nº

25 20 Reservatório de detergente 2 [0,1]

Nas unidades de [0,1], o “0” corresponde a “Não” e o “1” a “Sim”. Na unidade de [1,5] da métrica

4, o “1” corresponde a “Muito difícil” e o “5” a “Muito fácil”. Na unidade de [1,4] da métrica 16, o “1”

corresponde a “Flexível” e o “4” a “rígido”.

Na tabela 4 apresenta-se a matriz comparativa entre as necessidades recolhidas e as

especificações definidas.

31

Tabela 4 - Matriz das necessidades vs métricas.

Métricas 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

Necess. 1 • • •

2 • •

3 •

4 •

5 •

6 •

7 •

8 •

9 •

10 •

11 •

12 •

13 •

14 • • •

15 •

16 • •

17 • • •

18 •

19 •

20 • O objetivo da matriz é verificar se a todas as necessidades está relacionada uma métrica.

Idealmente, a cada necessidade foi cedida uma métrica, no entanto, por vezes, há necessidade de

especificar uma necessidade com mais do que uma métrica, como são exemplo as necessidades 1, 2,

14 e 17. Também pode acontecer que uma métrica possa satisfazer mais que uma necessidade, como

são exemplo as métricas 5, 7 e 24.

Com as métricas bem definidas e organizadas, selecionaram-se alguns dos conjuntos de

esfregonas rotativas já existentes no mercado de modo a serem avaliados perante as especificações

requeridas para o novo produto a desenvolver. Todos estes conjuntos, apresentados na figura 4, foram

adquiridos pela Fapil e cedidos ao autor para os testar. Os produtos selecionados são bastante

diversificados, contendo as principais características de todos os tipos de conjuntos de esfregona

rotativa existentes.

Figura 4 - Conjuntos de esfregonas rotativas testados.

32

Seguidamente, apresenta-se uma tabela 5 com as métricas de produtos concorrentes de modo

a definir os valores ideais aceitáveis para a esfregona a desenvolver neste documento.

Tabela 5 - Tabela comparativa de métricas de esfregonas rotativas existentes no

mercado e valores ideais para a esfregona a desenvolver.

Nos testes usou-se balança e máquina de filmar para calcular as métricas 1, 2, 3, 5 e 22.

A percentagem de água nos filamentos da esfregona foi obtida pela medição do peso destes

secos, ensopados de água e após a sua secagem no respetivo mecanismo de secagem. O valor ideal

para o novo produto estima-se ser menor que, aproximadamente, 15%. Isto é justificado através de

informação obtida no processo da recolha de necessidades, onde foi mencionado que os filamentos

Nº da Métrica

Nº da Necess

Imp Unid Fapil Kasa Kasa Pedal

Utildecor Otyma Fénix

Mopnado Walkable spin mop

Vileda Valor ideal

1 1 5 %. 21 12 9 17 18 17 12 15>

2 1 5 ms-1 1,42 0,89 0,89 0,85 0,83 1,00 0,95 1,4<

3 1 5 ms-1 7,85 8,90 8,90 5,97 8,90 8,14 9,14 9,1<

4 3 5 [1,5] 4 4 4 4 3 4 4 5

5 2, 3 5 N 40,2 65,7 53 62,8 89,2 57,9 83,4 40>

6 4 4 [0,1] 0 0 1 0 0 0 1 0

7 5, 16 3 mm 164 164 164 164 161 166 155 120>

8 6 2 [0,1] 1 1 1 1 1 1 0 0

9 7 2 [0,1] 0 0 0 1 0 0 0 0

10 8 3 mm 535 510 510 510 505 485 - -

11 9 2 [0,1] 1 1 1 1 1 1 0 0

12 10 1 [0,1] 0 0 0 0 0 0 0 0

13 11 1 [0,1] 0 0 0 0 0 0 0 1

14 12 1 [0,1] 0 0 0 0 0 0 0 1

15 13 1 [0,1] 0 0 0 0 0 0 0 1

16 14 5 [1,4] 1 4 4 3 4 4 3 4

17 14 5 mm 1,5 2,5 2,5 2 2 2 1,5 2

18 14 5 mm 2 2,5 2,5 2 1 1 2,5 2,5

19 15 5 [0,1] 1 1 1 1 1 1 1 1

20 16 4 mm 31 26 26 26 29 29 2 10>

21 17 3 mm 440 445 500 465/455 495/ 655

535/ 515

505 [550, 600]

22 17 3 Kg 5,1 5,9 8 8,4 10,7 11,7 7,8 6>

23 18 3 Nº 1 1 1 1 1 1 1 1

24 17, 19 3 Nº 0 0 0 2 2 2 0 2

25 20 2 [0,1] 0 0 1 1 1 1 0 1

33

da esfregona do conjunto Utildecor eram secos o suficiente para a absorção de sujidade da superfície.

No entanto, havia preferência na condição dos filamentos do conjunto Vileda.

Os valores ideais das métricas 2, 3, 4 e 5 foram definidos com cotações exigentes em relação

aos outros produtos, com o objetivo de se alcançar melhorias na qualidade e na facilidade da secagem.

A importância deste objetivo é de tal forma determinante que a sua consecução traduzir-se-á numa

inovação do mercado.

Analisando a experiência do utilizador, é de notar que os conjuntos esfregona rotativa atuais

já proporcionam uma boa experiência ao utilizador. Especialmente se compararmos com o modo de

secagem da esfregona da imagem 3 da figura 2, com espremedor no balde, que é considerada difícil

para atingir uma secagem dos filamentos aceitáveis. Apenas no modelo da Otyma Fénix se verifica

uma avaliação inferior, justificada pelo excesso de carga necessário à atuação da secagem, também

confirmado pela métrica 5.

A largura definida para o valor ideal da métrica 6 foi obtida com base na média da medição de

espaços considerados pequenos, no processo das entrevistas. Os mais mencionados foram espaços

atrás de sanitas e lavatórios de casa de banho.

Relativamente às métricas 6, 8, 9, 10 e 11, estas caracterizam o tipo de acionamento do

mecanismo de secagem, usado em cada um dos produtos testados. Idealmente e justificado pelas

necessidades 4, 6 e 9, nenhum dos tipos de acionamento será reproduzido no novo produto. Quanto

ao mecanismo automático referente à métrica 12, é possível a sua implementação, justificada pela

necessidade 10.

Relacionando a métrica 16 com a 17, comparando o modelo da Fapil com o da Vileda,

constata-se que a espessura do balde pode não ser o único responsável pela robustez do mesmo.

Pensa-se que a forma do balde possa influenciar a métrica 16. No entanto, é de realçar que apenas

no modelo da Fapil, a proteção contra salpicos contorna apenas o cesto e não estende o seu tamanho

até meio do balde.

Na métrica 20 prevê-se que se a base da esfregona for justa ao cesto, a necessidade 16 é

conseguida.

3.3 Geração e seleção de conceitos

Seguindo os valores ideais para as especificações da esfregona rotativa, constata-se que o

mecanismo de rotação não será acionado por pedal e não será também situado no cabo da esfregona

não tendo, deste modo, travamento no cabo. Resulta, assim, que o mecanismo de rotação da

esfregona será implementado no balde. Este vai ter apenas um compartimento, proteção contra

salpicos, duas rodas e um reservatório de detergente.

De seguida, são esquematizados e analisados os problemas que continuam por solucionar.

34

- Secagem dos filamentos da esfregona:

Relativamente ao esquema da figura 5, foi considerado que o movimento de atuação do

mecanismo é feito no cabo da esfregona, evitando deste modo o acionamento com o pé, que

provocaria um possível desequilíbrio do utilizador, o agachamento do utilizador para alcançar o balde

com um membro superior ou mesmo o acrescento de uma peça extra de acionamento que evitasse

esse agachamento.

Soluções para o subproblema aplicar movimento no cabo da esfregona:

Um impacto

Múltiplos impactos

[2 a 10]

Múltiplos impactos

[superior a 10]

Torcer e

pressionar

Pressionar

Figura 6 - Diversas formas de aplicar movimento no cabo da esfregona.

Idealmente, a melhor solução para aplicar o movimento no cabo é apenas com um impacto.

No entanto, prevê-se que seja necessária uma carga de aplicação muito elevada. Também a solução

de pressionar pode ser ideal se a carga a aplicar for inferior a 40N. Considera-se relevante também a

solução de múltiplos impactos na gama das dezenas se a restrição da carga a aplicar seja cumprida.

Aplicar

movimento no

cabo da

esfregona

Transmitir

movimento linear

vertical do cabo

para rotacional

do cesto

Encaixar

esfregona no

cesto do

balde

Aplicar

rotação na

esfregona

Energia

Esfregona

Molhada

Esfregona

Seca

Figura 5 - Esquematização do problema de secar os filamentos da esfregona.

35

Soluções para o subproblema transmitir movimento linear vertical do cabo para rotacional do

cesto:

Figura 7 - 1: Engenho primitivo de furar ou fazer fogo; 2 e 3: Engrenagem com cremalheira como atuante;

4: Mecanismo de êmbolo e biela; 5 – Motor magnético; 6 – Motor elétrico; 7 – Mecanismo de fuso roscado.

Analisando a figura 7, temos que o mecanismo:

- 1, tem como princípio de funcionamento o enrolar e desenrolar de um cabo no veio a provocar

rotação. Este veio tem que possuir uma massa que provoque a inércia suficiente para manter

o veio a rodar sem carga a ser aplicada, tornando possível o enrolamento do cabo. O facto de

o enrolar do cabo necessitar de alguma tensão no cabo, de forma a este ficar bem enrolado e

permitir que o desenrolar provoque novamente a rotação do veio, a coordenação da operação

considera-se elevada para implementar no mecanismo de secagem da esfregona. Ademais, o

movimento de rotação não é unidirecional com consecutivos acionamentos;

- 2 e 3, representam um mecanismo de engrenagem, com cremalheira incorporada como

atuante. O mecanismo 3 tem ainda associado um sistema de roquete, que mantém a rotação

unidirecional do output do mecanismo, em simultâneo com a atuação da cremalheira. Neste

caso, há a possibilidade de adicionar desmultiplicação no sistema de engrenagem, de forma à

carga de acionamento respeitar o valor ideal da métrica 5;

- 4, é caracterizado por ser um sistema de êmbolo e biela. Este mecanismo considera-se igual

ao mecanismo 2 e 3 com diferente tipo de atuação. É também possível ter que ser

acrescentado desmultiplicação no sistema de engrenagem para cumprir com a carga ideal de

atuação e evitar que seja preciso elevado número de acionamentos consecutivos para

provocar a velocidade de rotação idealizada;

- 5, aciona com a aproximação de um elemento íman ao cilindro de rotação livre, onde outros

ímanes estão fixos e disposto de forma a provocar a rotação. Considera-se que, para este

mecanismo satisfazer a velocidade exigida nas especificações, seria necessário um elevado

número de ímanes fortes, que resultam em elevados custos de produção. A precisão de

acionamento do mecanismo também é posta como um constrangimento;

1 2 3 4

5 6 7

36

- 6, corresponde a um motor elétrico. Este tem a desvantagem de conter elevados custos de

produção, comparativamente com o custo de produção de um conjunto esfregona rotativa.

Este custo sobe com o aumento da potência do motor, de modo ao motor satisfazer as

especificações exigidas à secagem dos filamentos da esfregona. O contacto com a água

danifica o motor, sendo também considerado como um ponto negativo neste mecanismo. Este

precisa também de ter uma fonte de energia externa, como por exemplo uma bateria. No

entanto, tem a grande vantagem da simplicidade da sua atuação. Posto isto, considera-se que

este motor elétrico, em dimensões reduzidas, funciona como atuador de um sistema de

engrenagens desmultiplicadoras, contornando de certa forma a barreira dos custos de

produção;

- 7, descreve o mecanismo de rotação dos conjuntos de esfregona rotativa, que se situa no

cabo. Este é constituído no seu global por um fuso roscado, responsável por produzir a rotação

da esfregona. Foi ainda definido nas especificações como um mecanismo a não ser

implementado no cabo do novo produto.

O tamanho necessário para a implementação dos mecanismos 1, 5 e 7 torna-se também uma

desvantagem eliminativa, sendo que foi definido que o mecanismo de rotação seria dentro do balde.

Para melhor seleção dos restantes mecanismos, é apresentada uma matriz de seleção da

tabela 6, onde são considerados certos parâmetros como o custo de produção, facilidade de atuação,

processo de montagem, considerando a sua complexidade e número de peças necessárias,

fiabilidade, volume ocupado no balde e a força aplicada no cabo para atuar o mecanismo.

Tabela 6 - Matriz de Seleção.

Mecanismo

Critérios de seleção 2 e 3 4 6

Custo de produção 0 0 -

Facilidade de atuação 0 0 +

Facilidade de montagem + 0 -

Quantidade de peças 0 0 -

Fiabilidade + + 0

Menor volume ocupado no balde 0 - -

Menor força aplicada 0 0 +

Soma das classificações (+) 2 1 2

Soma das classificações (0) 5 5 1

Soma das classificações (-) 0 1 4

Resultado líquido 2 0 -2

Classificação 1º 2º 3º

Continuar? Sim Não Não

O conceito selecionado é o referente ao mecanismo 2 e 3, no entanto o mecanismo 6 pode

ser revisto devido à constante evolução da tecnologia. O seu custo de produção, fiabilidade e volume

ocupado no balde pode sofrer melhoramentos significativos, invertendo posições na classificação da

matriz de seleção.

37

Soluções para o subproblema encaixar a esfregona no cesto do balde:

Para um fácil e robusto encaixe, as cabeças de parafusos e respetivas ferramentas são uma

boa fonte de informação. São encaixes fáceis de inserir e retirar, exigido pela mobilidade das

operações envolventes, e são projetadas para suportar grandes cargas. Deste modo, apresentam-se

na figura 8 diferentes tipos de encaixes.

Figura 8 - Cabeças de parafusos.

Analisando a figura 8 e tendo em conta a soluções para o problema, existentes no mercado,

selecionam-se as formas mais hexagonais, simples e de encaixe rápido com precisão. Tem-se, assim,

a forma de um hexágono; a forma Fluted socket 4 flutes, mas eliminando os cantos pontiagudos; a

forma 5 Node Security, com os cantos arredondados, de maneira a ter meias luas em toda a volta.

Adiciona-se ainda uma outra solução relevante para este problema na figura 9, representando um

encaixe apenas de apoio, com a forma de meia esfera. No entanto, este não transmite rotação do cesto

para a esfregona.

Figura 9 - Encaixe com forma de meia esfera.

38

Soluções para o subproblema aplicar rotação na esfregona:

Este problema está localizado na conexão entre o mecanismo de rotação e a esfregona. Em

simultâneo, é nesta conexão que é acionado o mecanismo de rotação, pelo contacto entre o cesto e a

cremalheira, e também é aplicada rotação no cesto resultante do mecanismo de rotação. Posto isto,

conclui-se que nesta conexão é exercido um movimento translacional descendente, ao mesmo tempo

que é provocado um movimento rotacional na mesma. Identifica-se, assim, um sistema de calha nesta

conexão, variando a forma do encaixe.

Devido à variedade de possíveis encaixes a ser aplicados neste mecanismo, como são

exemplo os do subproblema anterior, foi solucionado este subproblema com um tubo de dentado

simples na superfície exterior. Este é representado na figura 10.

Figura 10 - Veio dentado simples e respetivo cesto.

O veio dentado está posicionado na vertical, é coaxial e integral à última roda dentada do

mecanismo de rotação, que por sua vez conecta com o encaixe inverso embutido no cesto. No interior

do veio dentado desliza verticalmente o veio da cremalheira, assim como o veio embutido no cesto que

o aciona.

- Forma da base da esfregona:

Figura 11- Formas de base de esfregonas.

39

Na figura 11 são apresentadas bases de esfregonas já existentes no mercado e foram

acrescentadas mais duas possíveis formas. Este problema reflete-se na necessidade de a esfregona

permitir limpar espaços considerados pequenos. Também há a limitação da área do cesto do balde,

com a complementaridade de ser exigido que a base auxilie a centralização da esfregona com o cesto

para um fácil encaixe e utilização.

Analisando assim as formas juntamente com as restrições exigidas, excluem-se apenas as

duas primeiras opções.

- Tipo do cabo da esfregona:

Considera-se neste trabalho que o cabo pode ser um tubo só, dividido em dois ou em três para

melhor arrumação. Esta decisão pode também ser influenciada pela possibilidade de usar um cabo de

encaixe universal na base da esfregona, não necessitando assim de estar incluído no conjunto da

esfregona rotativa quando é entregue ao consumidor. A pega tem uma forma ergonómica com um furo

no topo para facilitar arrumação. Ideia esta suportada pela comparação entre outros produtos idênticos

já existentes no mercado, como os anteriormente testados para a avaliação das especificações.

O cabo necessita de um ponto de rotação livre para que o utilizador possa agarrar a esfregona

e, em simultâneo, esta possa também girar. Da pesquisa feita apresenta-se a seguinte árvore de

classificação.

Rotação livre no cabo

Posição da rotação

Mecanismo de rotação

Travamento

Veio livre

Engrenagens

Rolamentos

Nas junções do cabo, quando este

está dividido

Junção entre a base da esfregona

e o cabo

Base da esfregona

Junção do cabo com a pega

Pega do cabo

Parafuso com furo roscado

Aperto

Pinos de travamento

Sem

Figura 12- Árvore de classificação das especificações para uma rotação livre no cabo.

40

Analisando o mecanismo de rotação esquematizado na figura 12, considera-se que as

engrenagens introduzem complexidade, mais peças e mais custos associados. Os rolamentos têm a

vantagem de diminuir o atrito na rotação, contudo aumentam o custo de produção. O veio livre tem a

desvantagem de conter possíveis atritos na rotação, dependendo de forças aplicadas e materiais.

Primeiramente, na seleção de conceitos, considerou-se o veio livre a opção preferencial, assumindo

como prioridade a simplicidade do mecanismo e o baixo custo de produção. Contudo, após testes aos

protótipos do produto, constatou-se que a redução dos atritos nesta conexão é inevitável, sendo

necessário o uso de um rolamento.

No que diz respeito ao travamento, se existir, será por aperto de modo a possibilitar um

resultado mais ergonómico.

Quanto à posição da rotação, todas podem ser opções pois só será definido qual a mais

apropriada quando houver mais variantes a constringi-las. No entanto, é de salientar que a maioria dos

produtos analisados anteriormente contêm rotação na base da esfregona e exclusivamente o conjunto

Vileda tinha na junção do cabo com a pega.

- Como medir a temperatura, sujidade e nível da água, disponibilizando numa App para smartphones:

Figura 13 - 1, 2, 3 e 4: Termómetro com bluetooth; 5: Termómetro e sensor de sujidade com wireless; 6 , 7 e 8:

Sensor de sujidade; 9: Sensor wireless do nível de água; 10 e 11: Sensor do nível de água; 12, 13 e 14:

Termómetro, sensor de sujidade e do nível de água com wireless e App.

6

1 2 3 4

7 5 8

9 10 11

12 13 14

41

Após uma pesquisa de soluções para medir temperatura, sujidade e o nível de água no balde,

obtiveram-se os sensores representados na figura 13. Apenas as soluções 12, 13 e 14 possuem as

três necessidades num só dispositivo, no entanto são aparelhos específicos para o seu mercado. As

soluções 13 e 14, por exemplo, pertencem ao mercado de aquários, tendo assim um preço astronómico

comparativamente ao preço do conjunto esfregona rotativa. Desta forma, é também considerado cada

tipo de sensor em separado, com o objetivo de diminuir os custos. No entanto, estes necessitariam de

desenvolvimento de produto para os interligar e enviar a informação recolhida para um smartphone.

Ainda assim e sem considerar os custos de desenvolvimento desta interligação, os seus custos de

produção adicionais seriam demasiado elevados no custo de produção do conjunto da esfregona

rotativa.

Considera-se que nenhuma das soluções são implementadas no conjunto da esfregona

rotativa, pelos custos destas agravarem exageradamente o custo do produto final e suportado pelo

baixo grau de importância da necessidade requerente destas soluções.

- Forma do balde e pegas

Na figura 14 são apresentados baldes de esfregonas já existentes no mercado e as respetivas

pegas. É acrescentada mais uma possível forma da pega no cesto de supermercado, situado no canto

inferior direito.

Figura 14 - Formas de baldes de esfregonas e pegas.

42

No presente documento, considera-se que a forma do balde é apenas constrangida pelo

design mais atrativo ao cliente. Esses são os baldes com forma mais oval como o balde assinalado

com um círculo na figura 14. De forma a melhorar a ergonomia do balde, evitando o agachamento

constante sempre que é necessário movê-lo, este é caracterizado por possuir duas pegas. Uma que

contorna meio cesto e uma segunda similar a uma pega de trolley, como está ilustrado nos baldes com

duas pegas apresentados na figura 14. Na meia parte do balde, oposta ao cesto, haverá uma saliência

para facilitar o vazamento do balde, como no balde assinalado pelo círculo na figura 14. Para tal, a

pega que contorna o cesto assenta no bordo do lado do cesto.

Figura 15 - Esfregona rotativa e respetivo balde.

Direcionadas à figura 15 estão as variáveis dos problemas analisados acima por definir.

Começando pelo mecanismo de rotação, este será similar ao mecanismo 3 da figura 7, mas

com a cremalheira na vertical como no mecanismo 2 da mesma figura. Mais concretamente, este

mecanismo é composto por um sistema de engrenagens, com uma cremalheira como atuante e um

sistema roquete para manter a rotação da secagem unidirecional.

Considera-se que, para este tipo de mecanismo, o intervalo de dois a dez impactos será o tipo

de movimento que será aplicado no cabo. No entanto, tem-se como objetivo atingir a velocidade final

exigida pela métrica 3, no primeiro impacto. Os restantes impactos têm a função de manter a rotação.

Prevê-se que seja implementado no mecanismo um sistema de engrenagens desmultiplicadoras, de

forma a respeitar também a métrica 5.

Este mecanismo de engrenagens transmite a rotação para o cesto do balde, por intermédio de

um veio dentado simples na superfície exterior, coaxial e integral à última roda dentada do mecanismo.

Este permite que o cesto efetue um movimento translacional sobre o veio, em simultâneo com a

transmissão de rotação empregue pelo mecanismo.

Movimento a aplicar: - Um impacto - Múltiplos impactos [2 a 10] - Pressionar

Rotação livre: - Por veio livre - Por rolamentos

- Na base da esfregona - Na junção base-cabo - Na junção dos tubos - Na junção cabo-pega - Na pega - Sem travamento - Com travamento de aperto

Forma da base: - Retangular - Circular - Triangular - Hexagonal - Losangular

Mecanismo de rotação: - Engrenagem com

cremalheira como atuante

Forma do encaixe: - Hexágono - Fluted socket 4 flutes - 5 Node Security - Meia esfera

43

Desta forma, considera-se que o cesto gira em simultâneo com a esfregona, tendo ambas,

assim, a mesma velocidade de rotação. Para proporcionar um fácil encaixe da esfregona no cesto, a

base da esfregona deve ser justa ao cesto, como requerido na métrica 20. Deste modo, serão

empregues saliências no interior do cesto, para que os filamentos e a base da esfregona se fixem a

este. Assim sendo, a forma de encaixe entre a esfregona e o cesto pode ser a mais simples, definindo-

se a meia esfera como a solução mais simples para o utilizador funcionar com o produto. Garantindo

também o cumprimento da métrica 7, mesmo sendo o diâmetro do cesto superior ao valor ideal desta,

e respeitando a folga da métrica 20 nos pontos de proximidade da base ao cesto, a forma da base é

definida como hexagonal. Esta compreende uma largura máxima de 120mm e um comprimento pouco

menor que o diâmetro do cesto. Sendo a base hexagonal, esta tem 6 pontos de apoio no cesto

facilitando o seu encaixe no cesto.

Tornando possível o uso de um cabo de esfregona ou vassoura comum, onde a peça que liga

o cabo à base tem um encaixe universal para o cabo, o ponto de rotação livre pode ser na base da

esfregona ou na junção da base com o cabo. No entanto, a base dispõe de mais espaço para a

implementação deste mecanismo de rotação livre, proporcionando menos complexidade e peças na

sua conceção. O travamento é equacionado como um acrescento de complexidade no produto que,

por sua vez, aumenta também os custos de produção. Neste trabalho foi definido, primeiramente, que

a rotação seria por veio livre, no entanto, após teste dos protótipos, um rolamento foi implementado,

minimizando os atritos ao máximo.

Na figura 16, é representado um esboço do conceito final a ser trabalhado no restante

documento.

Figura 16 - Esboço do conceito gerado para o mecanismo de rotação da esfregona.

44

4. Implementação do conceito

Neste capítulo é explanada a constituição do novo conjunto esfregona rotativa com base nos

resultados do capítulo anterior. É apresentado o desenho da geometria do produto, onde é exposto o

novo mecanismo de secagem da esfregona por centrifugação (NMSEC), estruturando todo sistema de

engrenagens que o compõe, assim como os seus materiais. Por último, são descritos e analisados os

protótipos realizados neste trabalho.

4.1 Desenho da geometria do produto

O novo conjunto esfregona rotativa representado na figura 17, é composto pelo NMSEC (4),

balde (3), cesto (2), esfregona (1), pega central, pega trolley, proteção com salpicos e duas rodas.

Apenas os filamentos da esfregona não são apresentados na figura 17, de modo a simplificar a

esquematização do novo produto. Os filamentos são encaixados na parte inferior da base da

esfregona.

Inicialmente é discutido o NMSEC na sua constituição, funcionalidade e montagem. Este tem

a limitação do volume a ocupar no balde (31) de sensivelmente 230mmx190mmx140mm

(comprimento, largura e altura, respetivamente), restringindo-se a uma área pouco superior à do cesto.

O NMSEC é representado em detalhe na figura 18 e inclui parte da esfregona, cesto, parte do balde,

sistema de cremalheira, engrenagem cónica desmultiplicadora, dois níveis de engrenagem cilíndrica

desmultiplicadora, mas com o sistema de roquete incorporado no segundo nível, peças de suporte,

rolamento, mola e parafusos para fixação.

Figura 17 - Novo conjunto esfregona rotativa e vista explodida.

45

O funcionamento do mecanismo é caracterizado por ser iniciado por um movimento

descendente no cabo (11) que, consequentemente, empurra o cesto (2) para baixo. O contacto entre

a esfregona (1) e o cesto (2) acontece entre a base (12) e o encaixe (21), em forma de meia esfera. A

esfregona (1) tem livre rotação com o auxílio de um rolamento, situada na parte superior da base da

esfregona. Desta forma, esta acompanha a rotação do cesto (2) enquanto que, em simultâneo, é

aplicada a carga descendente no cabo (11).

O cesto (2) está centralizado com o orifício (32), com a roda dentada cilíndrica (451) e com o

veio (412) incorporado na cremalheira (411). Assim sendo, o movimento descendente do cesto (2) faz

com que o veio (22) incorporado no cesto (2) acione a cremalheira (411), pelo contacto com o veio

(412) integral à cremalheira (411). Entre o veio (22) e o veio (412) deve existir uma esfera, de forma a

diminuir o atrito no contacto. Em cada uma das superfícies de contacto entre os veios (22 e 412) e a

esfera, existe uma cavidade esférica para centraliza os três componentes quando há carga aplicada.

Entre a cremalheira (411) e a base (48) encontra-se uma mola de compressão, de forma a auxiliar o

recuo da cremalheira (411) à posição inicial, que consequentemente impulsiona também o cesto para

o topo do balde.

A cremalheira (411) está posicionada na vertical e engrenada com o pinhão (421). Com o

suporte do veio (461), o pinhão (421) é coaxial e integral à maior roda dentada cónica (422). Assim é

acionada a engrenagem cónica desmultiplicadora, com o engrenamento entre a grande roda dentada

cónica (422) e a pequena roda dentada cónica (431). Esta engrenagem altera o movimento de rotação

do eixo horizontal para o vertical. A relação de roda dentada grande para a pequena resulta na

desmultiplicação da carga.

Figura 18 - Dois diferentes ângulos da vista explodida do NMSEC.

46

A pequena roda dentada cónica (431) é, por sua vez, coaxial e integral com a grande roda

dentada cilíndrica (432), girando em torno do veio (462). Esta roda dentada cilíndrica (432) engrena na

pequena roda dentada cilíndrica (4411), acionando assim o primeiro nível da engrenagem cilíndrica

desmultiplicadora. Na ligação entre o primeiro e o segundo nível da engrenagem cilíndrica

desmultiplicadora está incorporado o sistema de roquete, limitando o segundo nível a uma rotação

unidirecional. A pequena roda dentada cilíndrica (4411) é coaxial e integral com parte inferior (4412)

do sistema roquete, formando a peça (441). Esta (441) é coaxial com a peça (442) e tem suporte do

veio (463). Desta forma, a parte superior (4421) do sistema de roquete é coaxial e incorporada na

grande roda dentada cilíndrica (4422), constituindo a peça (442) e acionando assim o segundo nível

da engrenagem cilíndrica.

A grande roda dentada cilíndrica (4422) engrena a pequena roda dentada cilíndrica (451), que

está diretamente ligada ao cesto (2), fechando por fim o mecanismo. Esta ligação é feita por um veio

dentado simples na superfície exterior (452), que limita o cesto (2) a um movimento translacional

vertical, provocando a sua rotação em simultâneo. O veio dentado (452) é fixo no eixo vertical pelo

apoio (4711), da tampa suporte (471) do mecanismo de rotação, e pela peça suporte (472). No interior

da peça suporte (472), é acrescentado um rolamento, de modo a diminuir o atrito na respetiva rotação.

A peça suporte (472) é separada da tampa suporte (471), para facilitar o fabrico da tampa

suporte (471) por injeção plástica. A peça de suporte (473) e a peça de suporte (474) auxiliam a

montagem do veio (461), facilitando também o fabrico da base (78) por injeção plástica. A peça suporte

(475) é separada da base (48) do mecanismo de rotação, para facilitar o fabrico da mesma (48) por

injeção plástica. A tampa suporte (471) constringe a nulo o movimento da peça suporte (473), peça

suporte (475), veio (461) e do veio (462).

No NMSEC, a acrescida desmultiplicação das engrenagens é inevitável para que o cesto gire

o suficiente à secagem dos filamentos da esfregona, com poucos movimentos descendentes no cabo

e com reduzida carga associada.

Analisando o sistema de engrenagens em maior detalhe, são definidas as suas especificações

técnicas, como números de dentes, diâmetros, relações de transmissão, entre outras. Para tal, são

conhecidos os diferentes tipos de engrenagens envolventes no mecanismo, o material preferencial e

os inputs do mecanismo, como carga aplicada e velocidades.

Para melhor entendimento, engrenagens são órgãos de máquinas que transmitem movimento

rotacional de um veio motor a um veio movido, por sucessivos engrenamentos de dentes nas suas

periferias ou por atrito [17-19]. Este tipo de mecanismo constitui um método económico para tais

transmissões, especialmente para elevados níveis de potência. A relação de transmissão constante

pode ser controlada livremente com alta precisão, alterando o número de dentes da engrenagem.

Alterando consequentemente o diâmetro das rodas dentadas em contacto, denomina-se de pinhão ou

carreto à menor das duas e roda à maior. Estas podem ter diferentes tamanhos, atingindo pequenas

dimensões como em relógios de pulso e grandes dimensões como em turbinas. As engrenagens têm

ainda as vantagens de conseguirem atingir rendimentos elevados e longa duração. [17] [19] [20]

47

A inclinação dos dentes é um fator importante que merece atenção, quando se projeta

engrenagens. Estes podem ser retos (paralelos ao eixo da roda), helicoidais (em hélice de eixo

coincidente com o eixo da roda), espirais (em espiral cónica de eixo coincidente com o eixo da roda)

ou curvos (em curva sobre um superfície cónica), sendo os dois primeiros os mais usados [19].

Comparando os dois primeiros, dentes retos são considerados os mais simples, comuns e

económicos na família das engrenagens. Contudo, dentes helicoidais têm a vantagem de transmitirem

mais potência, mais velocidade e são mais silenciosas. No entanto, estes podem desgastar-se com

mais facilidade e precisam, geralmente, de mais lubrificação do que as engrenagens de dentes retos

[17].

As engrenagens são também classificadas como exterior e interior, no que diz respeito à

posição relativa dos centros de rotação [19].

No NMSEC existe três tipos de engrenagem e estão representadas na figura 19.

Figura 19 - Tipos de engrenagens que compõem o NMSEC.

A primeira engrenagem do NMSEC é do tipo cremalheira e pinhão de dentes retos e está

representada na imagem da esquerda da figura 19. Com este sistema, pode-se transformar movimento

rotacional em movimento retilíneo e vice-versa. Cremalheira é uma barra provida de dentes, destinada

a engrenar numa engrenagem cilíndrica de dentes retos ou helicoidais. Esta pode ser considerada

como sendo uma roda de raio infinito e, nesse caso, a circunferência da roda pode ser imaginada como

um segmento de reta. Desse modo, a circunferência primitiva da engrenagem é tangente à linha

primitiva da cremalheira [17-19].

Adjacente ao carreto da primeira engrenagem, está representada na imagem do meio da figura

19 a segunda engrenagem do NMSEC, caracterizada por ser cónica de dentes retos. Este tipo de

engrenagens têm a particularidade de serem montadas em eixos que se intersectam entre si e podem

ser ou não perpendiculares. Os dentes destas engrenagens estão localizados nas superfícies cónicas

e são possíveis todos os tipos de dentes [17].

48

As últimas duas engrenagens do NMSEC, dispostas em dois níveis de desmultiplicação, são

cilíndricas de dentes retos, sendo a primeira delas representada na imagem da direita da figura 19.

Este tipo de engrenagens são distinguidas por transmitirem movimento entre eixos de rotação paralelos

e possuem também dentes paralelos entre si. De todos os tipos de engrenagens, este é o mais comum

[17-19].

Como é supra mencionado na explicação do funcionamento do NMSEC, o sistema roquete

está posicionado na ligação entre os dois níveis de engrenagens cilíndrica. A parte interior do sistema

roquete é integral ao carreto do primeiro nível e a parte superior está incorporada na roda do segundo

nível.

O sistema roquete é bastante usado em máquinas, tendo como objetivo a transmissão

intermitente de movimento, restringindo a rotação do eixo a um movimento unidirecional. Os dentes de

engrenamento deste sistema tanto se dispõem na periferia da roda, como no seu interior,

transformando a forma da roda num anel, como está representado na figura 20. O trinco do mecanismo,

que engrena nos dentes do roquete, é uma barra fixa com uma extremidade pinada e outra de forma

a engrenar nos dentes. Para que o trinco esteja sempre ativo e mantenha o contacto com os dentes

do roquete, pode ser usada uma mola ou apenas o contrapeso do trinco desde que vençam a inércia,

peso e atrito do trinco. Com isto, quando é necessário usar mola, provavelmente esta será para baixas

forças, de forma a facilitar a rotação no sentido oposto ao do engrenamento [21].

No sistema roquete do NMSEC não foram usadas molas com o objetivo de reduzir a

complexidade e custos de produção. Considera-se também que a elevada velocidade de rotação do

sistema de roquete será necessária para fazer o contrapeso.

No passado, as engrenagens plásticas não eram consideradas viáveis para transmitir

potência, operar em altas velocidades ou transmitir movimento constante com precisão. Contudo, com

a evolução das capacidades estruturais destes materiais, dos processos de moldagem e da fiabilidade

nos dados técnicos de engenharia, aquele problema foi ultrapassado [18].

Desde meados do século passado que as engrenagens plásticas começaram cada vez mais

a substituir as metálicas nas diversas aplicações e produtos, como são exemplos eletrodomésticos,

componentes automóveis, como os elevadores das janelas e para-brisas, elevadores de portões de

garagens, relógios, impressoras, entre outros [18].

Relativamente aos processos de fabricação de engrenagens, as metálicas são conhecidas por

serem fabricadas por maquinação e de sofrerem processos de acabamento de superfícies. Já as

Figura 20 - Sistema roquete.

49

plásticas têm a vantagem de poderem ser fabricadas por moldes de injeção plástica. Este processo

envolve menos custo de produção, é mais rápido e mais fácil de operar, quando comparado com a

maquinação, principalmente quando falamos de grandes volumes de produção. Permite também

aplicar configurações e formas complexas às peças a fabricar, no entanto não atinge a precisão no

dimensionamento que a maquinação consegue e existe maior probabilidade de ocorrerem empenos

nas peças [18] [20].

A produção de peças por moldes de injeção plástica refere-se a uma variedade de processos

que envolve o forçar ou o injetar de um fluído plástico dentro de um molde. Neste método, a máquina

injetora começa por aquecer o plástico até este estar pronto a fluir sobre pressão. Concluído o

aquecimento do plástico, este é injetado para o interior do molde. Durante a injeção do material e

enquanto o mesmo arrefece e solidifica, a máquina de injeção tem que manter o molde totalmente

fechado. Após o tempo de arrefecimento, o molde é aberto pela máquina injetora, de modo a remover

a nova peça fabricada [18].

É de realçar que, para desenvolver engrenagens a serem produzidas por injeção plástica, é

essencial haver um envolvimento entre o engenheiro projetista, o fabricante dos moldes, o operário

dos moldes e o fornecedor dos materiais [18].

Comparando agora as propriedades mecânicas das engrenagens plásticas com as das

metálicas, as plásticas têm menor densidade, portanto menos peso e, com isso, menos inércia

envolvida. Também amortecem mais os impactos e choques, reduzindo assim o ruído do

engrenamento e suavizando o funcionamento. O baixo coeficiente de atrito e a resistência à corrosão

são também atributos das engrenagens plásticas que ajudam à fluidez do seu funcionamento,

permitindo a omissão de lubrificação no engrenamento. No entanto, dependendo do tipo de plástico

usado nas engrenagens, estas podem ser afetadas por certos químicos e lubrificantes [18].

Mesmo perante tantas vantagens, continuam a haver algumas limitações, onde as

engrenagens metálicas são preferenciais. Nessas são englobadas a força máxima de carregamento,

sendo inferior para o plástico, e as temperaturas suportadas, não podendo ser muito elevadas nem

muito baixas [18].

Sendo o plástico um material viscoelástico, por combinar comportamentos elastoplástico e

comportamentos de líquidos altamente viscosos, a resposta mecânica do plástico é mais complexa

que nos metais. Nos plásticos a curva tensão-extensão não é linear, variando bastante com a

temperatura aplicada. Dependendo do coeficiente de expansão térmica e da capacidade de absorção

de água, pode ser provocada maior instabilidade na deformação da peça plástica em grande escala

dimensional [18].

No que diz respeito ao tipo de plástico aplicados em engrenagens, a maior parte são

termoplásticos. Destes, os dois mais comuns são a poliamida (PA), onde os nylons são os mais usados

e o primeiro plástico aplicado em engrenagens, e o poliacetal, também conhecido como polioximetileno

(POM). Ambos têm boa resistência ao desgaste e à fadiga, baixos coeficientes de atrito e resistência

a químicos. Quando comparados, o nylon absorve dez vezes mais água que o POM, o que aumenta o

ruído do funcionamento, reduz a eficiência na transmissão de potência e cria um efeito negativo na

resistência do material. Deste modo, o POM é favorável para ambientes que tenham humidade ou

50

envolvam o contacto com a água, como é o caso do produto do presente documento. Relacionando

ainda estes plásticos, o nylon tem melhores propriedades mecânicas, superando o POM em 20% na

resistência à tensão e flexão. Face ao exposto, o nylon é preferencial para aplicações com elevadas

forças envolventes [18].

Como já foi referido, a engenharia de engrenagens plásticas é bem mais complexa que a de

engrenagens metálicas. A escassez de estudos nesta área é a prova disso, não tendo sido ainda

reformuladas fórmulas de apoio ao desenvolvimento de engrenagens plásticas, como as já existentes

para metais. Em muitos casos, se forem inseridas especificações técnicas do plástico nas fórmulas

aplicáveis a metais, erros graves de dimensionamento poderão impedir o bom funcionamento da

engrenagem. No desenvolvimento das fórmulas para engrenagens metálicas foram feitas assunções

sobre o tipo de material, onde este tem um comportamento de elasticidade linear, o que não se verifica

na curva tensão-extensão dos plásticos [18].

Atualmente existe já software como o KISSsoft, dedicado ao estudo de engrenagens, que

começam a disponibilizar ferramentas de apoio ao desenvolvimento de engrenagens plásticas. O

KISSsoft, especificamente, já contém, nos cálculos do programa, métodos especiais para dimensionar

e otimizar engrenagens plásticas.

No presente trabalho, o software KISSsoft foi usado como ferramenta de apoio para a

modelação das engrenagens do NMSEC. Este programa tem inúmeros parâmetros por definir, pelo

que, para garantir um correto dimensionamento das engrenagens do NMSEC, foi usado um template

de engrenagem plástica correspondente à engrenagem a modelar. Neste template foram confirmados

parâmetros e seguidos alguns passos de tutoriais do KISSsoft [22][23]. De forma a completar o estudo

das engrenagens, foram alterados no software os seguintes parâmetros:

- Módulo;

- Número de dentes;

- Material;

- Roda motora;

- Sentido de rotação;

- Potência;

- Velocidade de rotação;

- Tipo de arestas dos dentes, arredondando-as.

De forma a obter uma aproximação dos valores a inserir no programa KISSsoft, foram usadas

fórmulas de engrenagens metálicas, para conseguir visualizar e dimensionar o NMSEC nos limites

estabelecidos, dentro do balde. Essas fórmulas são apresentadas abaixo, começando com as comuns

aos três tipos de engrenagem do NMSEC, seguindo-se as específicas para cada tipo.

Relação de transmissão total:

𝑖𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑖𝐼 × 𝑖𝐼𝐼 × 𝑖𝐼𝐼𝐼 (Equação 1)

Em que, iI é a relação de transmissão da engrenagem cónica, iII é a relação de transmissão da

engrenagem cilíndrica do 1º nível e iIII é a relação de transmissão do 2º nível.

51

Número de dentes:

𝑧 =𝐷

𝑀 (Equação 2)

Em que, D é o diâmetro primitivo e o M é o módulo.

Passo:

𝑝 = 𝜋 × 𝑀 (Equação 3)

Em que, M é o módulo. O módulo é normalizado e, seguidamente, o passo é recalculado.

Espessura do dente:

𝑠 = 0,5 × 𝑝 (Equação 4)

Em que, p é o passo.

Cremalheira e Pinhão:

Velocidade linear da cremalheira:

𝑣 =𝑥

𝑡 (Equação 5)

Em que, x é o comprimento útil e t é o tempo de atuação. Estes parâmetros são referentes à

cremalheira.

Número de dentes da cremalheira:

𝑧 =𝑥

𝑝 (Equação 6)

Em que, x é o comprimento útil da cremalheira e p é o passo.

Velocidade do pinhão:

𝑛 =𝜃

𝑡, em que 𝜃 =

𝑧1

𝑧2 (Equação 7)

Em que, é o ângulo de rotação do pinhão com o deslocamento total da cremalheira, t é o

tempo de atuação da cremalheira, z1 é o número de dentes da cremalheira e z2 é o número de dentes

do pinhão.

Engrenagem Cónica de dentes retos:

Relação de transmissão:

𝑖 =𝑧1

𝑧2=

sin 𝜃2

sin 𝜃1 (Equação 8)

Em que, D1 é o diâmetro primitivo da roda, D2 é o diâmetro primitivo do carreto, z1 é o número

de dentes da roda e z2 é o número de dentes do carreto. O somatório dos ângulos σ1 e σ2 é 90º.

52

Diâmetro da coroa:

𝐷𝑎 = 𝐷 + 2𝑀 × cos 𝜃 (Equação 9)

Em que, D é o diâmetro primitivo, M é o módulo e σ é ângulo primitivo.

Engrenagem Cilíndrica de dentes retos:

Relação de transmissão:

𝑖 =𝐷1

𝐷2=

𝑧1

𝑧2 (Equação 10)

Em que, D1 é o diâmetro primitivo da roda, D2 é o diâmetro primitivo do carreto, z1 é o número

de dentes da roda e z2 é o número de dentes do carreto.

Diâmetro da coroa:

𝐷𝑎 = 𝐷 + 2𝑀 (Equação 11)

Em que, D é o diâmetro primitivo, M é o módulo e σ é ângulo primitivo.

Inicialmente foi estudado o mecanismo com apenas um nível de engrenagens, no entanto,

após bastantes iterações, os melhores resultados não eram os desejados. No melhor resultado obtido,

o diâmetro da roda cónica era 84mm na vertical, mas o fator eliminativo desta primeira tentativa foi o

diâmetro de 168,75mm da roda cilíndrica na horizontal. Por isso, não foi possível organizar o

mecanismo dentro dos limites do balde e manter, em simultâneo, a centralização da cremalheira, com

a última roda do mecanismo e com o cesto. Perante este resultado, foi implementado um segundo

nível de engrenagens cilíndricas, com o objetivo de diminuir os diâmetros das rodas e desmultiplicar

melhor as velocidades e potências. A seguir, na figura 21, é representado o esquema das engrenagens

do NMSEC, e os respetivos dados na tabela 7.

Figura 21 - Esquema das engrenagens do NMSEC.

53

Tabela 7 - Especificações do sistema de engrenagens do NMSEC, calculadas pelas equações acima descritas.

x [mm]

t [s]

v [m/s]

D [mm]

Da [mm]

σ [º]

s [mm]

p [mm]

M z n

[RPM] M

[Nm] P

[W] i

Cremalheira 74 2 0,04 - - - 2 3,93 1,250 18 - - 1,5 1,0

Pinhão - - - 22,5 25,0 - 2 3,93 1,250 18 30 0,450 1,4 1,0

Roda Cónica - - - 50,0 51,7 62 2 3,93 1,250 40 30 1,000 3,1 1,9

Carreto Cónico - - - 26,7 24,3 28 2 3,93 1,250 21 56 0,533 3,1 1,9

Roda 1º nível - - - 90,0 92,5 - 2 3,93 1,250 72 56 1,800 10,6 4,0

Carreto 1º nível - - - 22,5 25,0 - 2 3,93 1,250 18 225 0,450 10,6 4,0

Roda 2º nível - - - 90,0 92,5 - 2 3,93 1,250 72 225 1,800 42,4 4,0

Carreto 2º nível - - - 22,5 25,0 - 2 3,93 1,250 18 900 0,450 42,4 4,0

Cesto - - - 160,0 - - - - - 900 3,200 301,6 -

Houve parâmetros da tabela 7 que foram assumidos logo de início para eliminar variáveis das

equações e conseguir obter resultados.

O primeiro parâmetro a ser definido é a velocidade final que o mecanismo tem que atingir. Este

é calculado com base no valor ideal da velocidade máxima a atingir, anteriormente definido nas

especificações, e com um diâmetro maior do cesto de 190mm.

Relativamente ao comprimento útil da cremalheira, quanto maior este for, mais dentes pode

ter a cremalheira, aplicando assim mais rotação inicial no mecanismo. No entanto, tendo em conta o

deslocamento do cesto no balde, considera-se que mais de 75mm implica uma altura elevada para as

dimensões do balde.

De forma a definir o melhor tempo de atuação do mecanismo definido na tabela 7, foi estimado

um valor com base na média do tempo de atuação dos conjuntos esfregona rotativa testados no

capítulo anterior. A tabela 18, com os correspondentes tempos de atuação, consta do Anexo 2. Aquele

valor foi acrescentada uma margem de segurança, pois foi considerado que a velocidade final se

alcança no primeiro impulso e pelo motivo do NMSEC não se assemelhar a nenhum dos outros.

Assumiu-se o valor da espessura igual à espessura correspondente do mecanismo do conjunto

esfregona rotativa da Vileda. Este também contém engrenagens plásticas no mecanismo de rotação e

é considerado um produto resistente e duradouro, produzido por uma das mais bem cotadas marcas

no mercado de produtos de limpeza.

Relacionando a espessura do dente com o número de dentes, o diâmetro do carreto e o

diâmetro do veio de suporte, considerou-se um diâmetro mínimo de 22,5mm, que corresponde a 18

dentes.

O curso máximo da cremalheira é o dobro do seu comprimento útil menos duas vezes o passo,

para garantir que esta não desengrena. A esta medida retirou-se ainda a espessura dos dois níveis de

engrenagens cilíndricas, mais folga para peças de suporte do mecanismo e, assim, assumiu-se um

diâmetro máximo da roda cónica de 90mm.

Foi também calculada uma potência de 42,6W necessária para rodar a esfregona molhada à

velocidade final definida nas especificações do produto. Para isso foi calculado o momento de inércia

do cesto e da esfregona molhada, assumindo um peso de 1,5kg e um raio de 160mm, raio médio dos

54

filamentos da esfregona. Analisando a potência de rotação atingida pelos filamentos no cesto,

apresentada na tabela 7, esta é sete vezes superior à primeiramente calculada.

Obtidos todos os parâmetros a alterar no KISSsoft, realizaram-se simulações para cada

engrenagem até serem corrigidos todos os erros, evitando ultrapassar fatores de segurança. Os

relatórios destas simulações são apresentados no Anexo 3.

Seguidamente apresenta-se a tabela 8, com as especificações das engrenagens corrigidas

para o plástico POM, e a figura 22, com as engrenagens geradas pelo KISSsoft, posteriormente

exportadas para serem adicionadas ao restante conjunto esfregona rotativo no software CAD.

Figura 22 - Cremalheira e pinhão, engrenagem cónica e engrenagem cilíndrica geradas no KISSsoft.

Tabela 8 - Especificações das engrenagens do NMSEC geradas pelo KISSsoft.

x [mm]

t [s]

v [m/s]

D [mm]

Da [mm]

σ [º]

s [mm]

p [mm]

M z n

[RPM] M

[Nm] P

[W] i

Cremalheira 74 2 0,04 - - - 2,36 4,71 1,500 18 - - 1,5 1,0

Pinhão - - - 27,0 30,2 - 2,45 4,71 1,500 18 30 0,446 1,4 1,0

Roda Cónica - - - 80,0 81,1 62 3,72 6,28 2,000 40 30 1,337 4,2 1,9

Carreto Cónico - - - 42,0 47,0 28 2,56 6,28 2,000 21 57 0,702 4,2 1,9

Roda 1º nível - - - 99,0 101,8 - 2,19 4,32 1,375 72 57 1,659 9,9 4,0

Carreto 1º nível - - - 24,8 28,5 - 2,53 4,32 1,375 18 228 0,415 9,9 4,0

Roda 2º nível - - - 99,0 101,8 - 2,19 4,32 1,375 72 228 1,659 39,6 4,0

Carreto 2º nível - - - 24,8 28,5 - 2,53 4,32 1,375 18 912 0,415 39,6 4,0

Cesto - - - 160,0 - - - - - 912 2,683 256,2 -

Analisando os dados da tabela 8, verificou-se que o diâmetro da roda cónica continua inferior

ao máximo anteriormente definido e que a potência de rotação atingida pelos filamentos no cesto

mantem-se superior à necessária, sendo seis vezes superior.

Concluídos os modelos das engrenagens plásticas do NMSEC, estes são exportados para o

software CAD, SolidWorks. Este software CAD dedicado à modelação de peças, foi usado para

desenvolver toda a geometria do conjunto esfregona rotativo, descrito no presente trabalho.

Aplicados os princípios do Design for Manufacturing and Assembly no desenvolvimento do

desenho do produto em estudo, foi definido que este é produzido por moldes de injeção plástica. Para

55

este processo de fabricação, foram selecionados moldes de abertura simples. Estes representam

menores custos de equipamento e menores tempos de ciclo, mantendo-se assim presente o objetivo

de produzir o produto com o custo de produção o mais reduzido possível. No entanto, este processo

de produção por moldes simples requer alguns cuidados no desenho das peças. Na figura 23 é

apresentada a peça base do NMSEC, sem as alterações necessárias para o seu fabrico por moldes

de abertura simples.

Figura 23 - Peça base do NMSEC, sem alterações à sua produção.

Na criação de peças para moldes simples deve-se evitar superfícies grandes totalmente

paralelas ao eixo de abertura do molde, facilitando que a peça se solte do molde. Assim, as maiores

superfícies verticais da peça da figura 23 foram redesenhadas com inclinação favorável à abertura do

molde. Também o balde e o cesto são exemplo de uma peça com superfícies verticais muito grandes,

o que foi considerado nos desenhos das suas geometrias.

Mantendo presente o princípio de desenhar o produto com o mínimo de peças possíveis,

muitas vezes é necessário dividir peças mais complexas em várias mais simples, para possibilitar a

abertura simples do molde. A proteção contra salpicos é uma das peças trabalhadas neste documento,

que surgiu por ser impossível produzi-la integral com o balde. Duas peças da pega trolley que encaixam

no balde também foram separadas, assim como a peça base do NMSEC. Esta foi dividida em seis

peças diferentes de forma a evitar a utilização de punções nos moldes, o que dificulta o processo de

moldagem, e também a facilitar a montagem do NMSEC. Todas as peças de suporte que surgiram

desta divisão são de fácil encaixe na base e entre elas, para que a montagem seja o mais rápido e

simples possível. As peças suporte têm também geometria muito simples para facilitar a maquinação

e funcionamento do respetivo molde. O modelo final desta peça, enquadrada com as peças de suporte

do NMSEC, a cremalheira, roda, jante, veios e parafusos, em vista explodida, é apresentada na figura

24.

56

Figura 24 - Peça base do NMSEC com as peças suporte deste, a cremalheira,

roda, jante, veios e parafusos, em vista explodida.

A cremalheira é também dividida em duas peças para que seja possível fabricar os seus dentes

e o furo onde encaixa o seu veio guia, integrado na peça base do NMSEC. Os dentes das engrenagens

do NMSEC são retos para também facilitar a construção dos moldes, evitando moldes rotativos.

A jante é também uma peça separada da roda, mas desta vez para permitir a fixação da roda

com apenas um anel de retenção, ficando este ponto protegido e tapado visualmente com a jante. O

detalhe do canto superior direito da figura 24, representa um método para criar os furos na peça base

do NMSEC que suportam o veio das rodas, sem inserir punções nos moldes. Este método foi aplicado

não só nesta peça, como também nos furos do balde, onde encaixa a pega central e a pega trolley.

Com o objetivo de diminuir o tempo de montagem do produto e, mais uma vez, evitar

acrescentar peças, estas devem ser unidas por encaixes e o seu posicionamento e geometria devem

respeitar a simplicidade dos moldes. A proteção contra salpicos, as jantes das rodas e a pega trolley

são peças unidas por encaixes, no entanto considerou-se importante a utilização de parafusos para a

fixação de peças de suporte envolventes no NMSEC, estando estas sujeitas a cargas.

A última alteração a fazer nas peças é a remoção de material excessivo, diminuindo

espessuras e cavando peças, desde que as cavidades resultantes estejam orientadas no sentido de

abertura do molde. Com esta alteração diminui-se o peso e, consequentemente, o custo das peças.

57

Para concluir as peças, é simulado o funcionamento do NMSEC, de forma a detetar e corrigir

todas as interferências entre peças. Seguidamente apresenta-se a tabela 9 com a lista das peças do

novo conjunto esfregona rotativa com as respetivas características.

Tabela 9 - lista das peças do novo conjunto esfregona rotativa com as respetivas características.

Designação Quantidade Material Peso [g] Balde 1 PP 1345,5

Cesto 1 PP 227,7

Travão cesto 1 POM 5,0

Proteção contra salpicos 1 PP 198,7

Pega central 1 PP 150,2

Pega trolley Cima 1 PP 33,7

Pega trolley Dentro 1 PP 30,0

Pega trolley Baixo 1 PP 32,0

Base da esfregona 1 PP 109,5

Suporte da peça rotativa da esfregona 1 PP 16,1

Peça rotativa da esfregona 1 PP 6,7

Peça encaixe do cabo 1 PP 15,6

Junção peça rotativa e peça encaixe M 1 PP 0,9

Junção peça rotativa e peça encaixe F 1 PP 0,9

Cremalheira 1 POM 19,0

Peça guia da cremalheira 1 POM 9,8

Pinhão e roda cónica 1 POM 121,8

Carreto cónico e Roda cilíndrica 1º nível 1 POM 86,0

Carreto cilíndrico 1º nível e roquete 1 POM 32,9

Trinco 4 POM 0,8

Roda cilíndrica 2º nível 1 POM 59,4

Carreto cilíndrico 2º nível e veio dentado 1 POM 41,8

Tampa suporte NMSEC 1 POM 102,9

Base NMSEC 1 POM 942,9

Peça suporte pinhão 1 POM 35,1

Peça suporte engrenagem cónica 1 POM 32,9

Peça suporte sistema roquete 1 POM 36,7

Peça suporte carreto cilíndrico 2º nível 1 POM 8,6

Roda 2 POM 97,6

Jante 2 POM 14,2

Veio das Rodas 1 Al 6061 28,4

Veio D10 x 95 1 Al 6061 20,1

Veio D10 x 77 1 Al 6061 16,3

Veio D10 x 54 1 Al 6061 11,4

Anel de retenção M6 2 Al 6061 0,1

Parafuso M4 x 16 11 Al 6061 0,8

Parafuso M4 x 10 2 Al 6061 0,2

Rebite M4 x 30 1 Al 6061 0,4

Esfera D7 1 Aço 1,4

Rolamento de esferas ISO 608-2Z 1 - 17,8

Rolamento de agulhas ISO NKI 20/20 1 - 6,0

Mola de compressão 1 Aço 5,0

Total 59 - 4045,3

58

4.2 Testes e prototipagem

Neste subcapítulo são apresentados e explicados todos os protótipos realizados para o

desenvolvimento do novo conjunto esfregona rotativa, terminando com a avaliação das especificações

finais do produto e respetiva análise.

No presente documento e considerados os objetivos da prototipagem, a comunicação e

integração dos professores e da Fapil nos protótipos foi fundamental para debater ideias para novos

protótipos melhorados. Este debate foi mantido durante todo o processo de prototipagem,

particularmente no final de cada alteração nos protótipos.

Começou-se por conceber protótipos analíticos, já que estes permitem perceber que

especificações e desenhos são exequíveis no produto.

O primeiro protótipo analítico é focado no dimensionamento das engrenagens plásticas

descritas no capítulo anterior. Este não se foca apenas em gerar a geometria das peças, mas também

no estudo das velocidades e potências do NMSEC. Com os cálculos e simulações feitas com o

KISSsoft foi possível fazer as engrenagens com as dimensões exatas que suportam as cargas e

velocidades envolventes no funcionamento do NMSEC.

Exportadas as engrenagens plásticas do KISSsoft para o software CAD SolidWorks, estas

juntam-se às restantes peças do novo conjunto esfregona rotativa, numa prototipagem analítica e

focada. Este protótipo é concebido por modelação 3D e tem o objetivo de conhecer as formas e

dimensões do conjunto, de forma a satisfazerem-se as necessidades estéticas do produto. Na figura

25 é apresentado o modelo final desenhado no SolidWorks.

Figura 25 - Modelo 3D do conjunto esfregona rotativa.

59

O SolidWorks ainda serviu de suporte a outro protótipo analítico, focalizado no funcionamento

do produto. Este consistiu na realização de simulações dinâmicas focadas no funcionamento do

NMSEC, com o objetivo de detetar e corrigir todas as interferências entre peças, e de posicionar a

pega central, de modo a centrá-la com o centro de massa do conjunto esfregona rotativa.

Partilhados e analisados os resultados com os membros da equipa de desenvolvimento de

produto, avançou-se para a prototipagem física, o que permitiu aperfeiçoar e confirmar o desenho e a

funcionalidade do produto. Este tipo de prototipagem evita também a passagem direta dos desenhos

para a fabricação dos moldes, evitando custos elevados exigidos para corrigir erros ou tornar a

redesenhar os moldes para o produto corrigido. Para os protótipos físicos impressos em 3D, foi usada

a ferramenta computacional CAM, pelo software Cura, de forma a programar a impressora 3D a

imprimir os modelos 3D desenhados no SolidWorks.

O primeiro protótipo físico é focado na verificação do funcionamento do NMSEC. Para o efeito,

foi apenas impresso em 3D o NMSEC à escala de ½, deixando peças como o balde por imprimir.

Assim, este protótipo é mais rápido e económico de produzir, visto que o importante é perceber o

funcionamento do NMSEC e que, apesar da impressão 3D ser considerada prototipagem rápida, o

tempo de produção da maioria das peças está na gama das horas. Ademais, como as tolerâncias das

peças impressas variam com o tipo de material usado, neste caso é Ácido Polilático (PLA), é

normalmente preciso o acerto dessas tolerâncias, de forma à peça impressa ter o mesmo

dimensionamento do modelo 3D anteriormente desenhado no SolidWorks. Na figura 26 é apresentado

este primeiro protótipo físico.

Figura 26 - NMSEC impresso em 3D à escala de ½.

Mais uma vez, após a partilha e análise dos resultados com os intervenientes no

desenvolvimento deste produto, confirmou-se que este protótipo valida o funcionamento do NMSEC.

No entanto, houve incidentes inesperados de atrito na última conexão. Com efeito, sem conectar o

cesto no NMSEC e acionando a cremalheira com um veio metálico exterior ao NMSEC, todas as

engrenagens plásticas trabalham corretamente, a uma velocidade aparentemente próxima à requerida

nas especificações ideais do produto. Se se tentar trabalhar este protótipo do NMSEC como é suposto,

60

o cesto não desliza corretamente sobre o veio dentado simples, travando assim todo o funcionamento

do NMSEC. Devido às dimensões reduzidas das peças e ao facto de estar integrado nas mesmas um

sistema de engrenagens, considerou-se que os atritos poderiam estar relacionados com a fraca

qualidade da impressão 3D em certas superfícies, pois a deposição de filamento camada a camada

impossibilita que a maioria das superfícies tenham rugosidade muito baixa. Para tentar corrigir estes

atritos entre peças presentes no funcionamento, prosseguiu-se com o polimento das superfícies mais

rugosas e das peças críticas do funcionamento, com o apoio de ferramentas como limas e lixas. Posto

o protótipo outra vez à prova, os atritos continuavam presentes, apesar de estarem menos ativos.

Partilhados os resultados e discutidas ideias com os membros da equipa de desenvolvimento

de produto, concluiu-se que os problemas de atrito podiam ser resolvidos com um novo protótipo à

escala real. Nesta nova versão, o dimensionamento das peças é o estudado de forma a permitir a

aplicação de cargas reais envolventes no produto, diminuir o risco de defeitos no toleranciamento e

diminuir o risco de atritos provocados pelas superfícies rugosas, já que as peças estarão mais

distanciadas umas das outras, havendo apenas contacto onde é suposto que exista.

Este novo protótipo físico é definido como abrangente, pois sendo impresso em 3D à escala

real, corresponde a uma aproximação bem clara do produto final, sendo analisados parâmetros como

a aparência do produto e o funcionamento de todos os componentes. É de notar que, para este

protótipo, foram despendidas longas horas de impressão 3D, levando mais de um mês a imprimir a

totalidade do conjunto esfregona rotativa. O tempo normal de impressão está na origem desta demora,

mas também as falhas ocorridas durante impressões concorrem para essa demora. Para se ter uma

noção mais clara deste problema, a peça balde exigiu a sua produção numa impressora 3D de grandes

dimensões e só ficou concluída com sucesso à terceira tentativa. Só a peça balde necessita de quase

7kg de material em filamento e de 4 dias consecutivos de impressão. Devido às exigências

dimensionais deste protótipo, este foi impresso pela Blocks, empresa dedicada ao desenvolvimento e

produção de impressoras 3D. Na figura 27 é representado a peça balde impressa em 3D, ainda com

alguns dos suportes de impressão.

Figura 27 - Peça balde impressa em 3D à escala real.

61

Muitas vezes, a necessidade de imprimir peças com estes suportes constitui outra das causas

do elevado tempo de impressão. No entanto, há suportes que são inevitáveis.

Esta peça balde ainda sofreu um processo de impermeabilização, para que possa ser testado

com água. Caso contrário, por ser impresso em 3D, pode conter pequenas falhas entre camadas de

PLA depositadas umas sobre as outras, tornando-o permeável.

Na figura 28 é apresentado o protótipo completo do novo conjunto esfregona rotativa. Apenas

o cabo representado na figura não foi impresso, tendo sido cedido pela Fapil, de forma a confirmar a

rosca universal desenhada para o novo produto.

Figura 28 - Novo conjunto esfregona rotativa impresso em 3D à escala real, onde na imagem superior esquerda é focado o NMSEC e na imagem superior direita está também representado o NMSEC impresso em 3D à escala

½.

Após nova partilha e análise dos resultados com os intervenientes no desenvolvimento deste

produto, foi concluído que o balde está sobredimensionado, necessitando de futuros melhoramentos

de design, de modo a assemelhar-se o seu tamanho ao dos outros conjuntos de esfregona rotativa do

mercado. A pega central também está demasiado alta quando ativa, o que será alterado com o

redimensionamento do balde. Este irá alterar o centro de massa do novo conjunto esfregona rotativa

que, consequentemente, obrigará a uma nova centralização da pega no conjunto, diminuindo assim o

seu comprimento.

62

O funcionamento do NMSEC é novamente validado e, desta vez, atuando o mecanismo

corretamente. No entanto, os atritos provocados pela última conexão do NMSEC não sofreram grandes

alterações, mas agora fizeram abrandar ou chegaram mesmo a travar o mecanismo. Após conclusão

do processo de polimento semelhante ao aplicado no protótipo anterior, os atritos continuaram

presentes mas tornaram-se novamente mais fracos.

Primeiramente, na seleção de conceitos, considerou-se que o veio livre era a opção

preferencial a aplicar na rotação da esfregona, assumindo como prioridade a simplicidade do

mecanismo e o baixo custo de produção. Contudo, após a realização deste protótipo, constatou-se que

a redução dos atritos nesta conexão é inevitável, sendo necessário o uso de um rolamento. No entanto

e apesar desta alteração, os atritos no mecanismo mantiveram-se, não obstante continuar a ser

indispensável juntar este rolamento.

Analisados novamente os problemas de atrito e como o NMSEC apenas funciona corretamente

se a peça carreto cilíndrico do 2º nível e integral com o veio dentado simples estiver centralizada com

o sistema de engrenagens e com o cesto, concluiu-se que a origem do problema poderá estar nessa

centralização. Verificou-se que existem várias folgas no mecanismo, no entanto estas existem com o

propósito de dar leveza ao seu funcionamento. Assim, conclui-se que há vários pontos onde é possível

eliminar folgas de modo a manter a centralização da peça em questão.

Decidiu-se, então, por começar em alterar a peça suporte da peça a centralizar, com a criação

de três protótipos físicos focados nos atritos desta conexão. Assim, no primeiro protótipo foi diminuído

o diâmetro interior da peça suporte, de forma a diminuir a folga desta conexão e incrementar a área de

contacto entre as duas, aumentando a altura da peça suporte. Seguidamente, foi acrescentado no

segundo protótipo um rolamento de agulhas, na ligação entre a peça a centralizar e a sua peça suporte.

E no último, foi modificado o material da peça suporte para um metal, de forma a experienciar o efeito

de um material de superfícies de rugosidades muito baixas. Este último protótipo foi maquinado, ao

contrário dos outros que se mantiveram na produção por impressão 3D. Na figura 29 são apresentados

estes três protótipos, por ordem sequencial.

Figura 29 - Protótipos da peça suporte da peça carreto cilíndrico do 2º nível e integral com o veio dentado simples, ordenados por ordem cronológica, da esquerda para a direita, começando pelo correspondente ao

protótipo do produto completo.

Analisados os protótipos, apenas o correspondente ao acrescento do rolamento apresenta

melhorias, mas somente na centralização da peça carreto cilíndrico do 2º nível e integral com o veio

dentado simples. Relativamente ao funcionamento do NMSEC, continuam presentes atritos os quais

não diminuíram com a introdução do rolamento. No entanto, observou-se um esmagamento no veio

da cremalheira, na zona de contacto com a esfera, provavelmente resultante das elevadas cargas

63

aplicadas durante os testes. O mesmo se observou no veio atuante embutido no cesto. Estes defeitos

podem também ser uma das causas dos atritos notados.

Observando novamente o funcionamento do NMSEC, mas em pormenor para a conexão entre

a peça do veio dentado simples e o encaixe inverso embutido no cesto, existe um movimento

translacional provocado pelo movimento descendente do cesto, e em simultâneo, um movimento

rotacional provocado pelo mecanismo, que exerce carga rotacional no veio dentado simples. A

simultaneidade destes movimentos com carga exercida pode ser a causa dos atritos que impedem o

bom funcionamento do mecanismo. Assim, foram propostos mais quatro novos protótipos, focados

nesta conexão, e a alteração do material de PLA para nylon, de forma a usar um plástico com menos

coeficiente de atrito. Não foi usado o POM, por não ser um material muito usado em impressão 3D,

comparativamente com o nylon.

Primeiramente, foi acrescentada no modelo 3D CAD uma cavidade de apoio à esfera no veio

atuador do mecanismo, localizado no meio do encaixe do cesto com o veio dentado simples, e no veio

integral à cremalheira. A adição desta cavidade tem como objetivo auxiliar a centralização dos veios

em contacto com a esfera.

Estes novos protótipos são compostos por duas peças, em que uma é o carreto cilíndrico do

2º nível e integral com o veio dentado, e a outra é parte do cesto, composto pelo encaixe inverso do

veio dentado e pelo encaixe da base da esfregona. Todas as alterações feitas no veio dentado serão

espelhadas no respetivo encaixe embutido no cesto. No primeiro protótipo foram suavizados os cantos

dos entalhes transmissores de rotação, do veio dentado simples. O segundo é semelhante ao primeiro,

no entanto o curso do entalhe do veio dentado é em forma de rosca, efetuando apenas um quarto de

rotação em torno do veio. Esta modificação tem como objetivo suavizar o primeiro impacto no

mecanismo, facilitando a rotação inicial. O protótipo seguinte já apresenta algumas alterações em

relação aos outros, onde o veio atuante do cesto está fixo e totalmente apoiado, de forma a atuar o

veio da cremalheira sempre na mesma posição. O último protótipo é semelhante ao terceiro, no entanto

é também roscado como o segundo protótipo. Na figura 30 são apresentados os diferentes protótipos,

por ordem sequencial.

Figura 30 - Protótipos da peça carreto cilíndrico do 2º nível e integral com o veio dentado, e respetivo encaixe pertencente ao cesto, por ordem cronológica, da esquerda para a direita.

64

Depois de analisados os novos protótipos, verificou-se que a solução do dentado roscado é

claramente melhor que o simples, pois impulsiona a rotação no movimento translacional. E a

suavização dos cantos do entalhe facilitaram também o deslizamento da peça correspondente ao

cesto. No entanto continuam a haver atritos que não deixam o mecanismo fluir. O terceiro e quarto

protótipos não são viáveis, pois a abertura criada no veio dentado fragiliza-os e, além disso, não

apresentam melhorias significativas relativamente ao veio dentado simples.

Mais uma vez, sendo os protótipos todos impressos em 3D, as superfícies das suas peças têm

algumas rugosidades nas suas superfícies, originando assim atritos entre peças. Apesar de ter sido

aplicado o mesmo tipo de polimento dos outros protótipos, as peças continuam sem se assemelhar a

peças produzidas por injeção plástica e o encaixe do veio dentado embutido no cesto é impossível de

polir com ferramentas, como limas ou lixas, devido a limitações de espaço na peça. Assim foi aplicada

uma camada de spray seco de teflon em todas as superfícies, de modo a suavizá-las ao máximo, já

que este é o lubrificante com melhores características para este caso. Este é o plástico menos

aderente, não acumula sujidade por não ser peganhento e não é removível com água. Foi escolhida a

aplicação em spray, de forma a alcançar todas as superfícies, mesmo as mais escondidas.

Após esta solução ser testada, os atritos diminuíram novamente, no entanto o NMSEC

continua sem um funcionamento fluído. Assim, concluiu-se que estes atritos podem não estar

relacionados com as imperfeições da impressão 3D. Contudo, só com peças produzidas por moldes é

que se consegue produzir esta afirmação com absoluta certeza. Os moldes de silicone são uma boa

opção para poucas tiragens de peças e com custos de equipamento inferiores aos moldes metálicos

mais comuns.

Reanalisados os atritos do mecanismo, descobriu-se que podem estar relacionados com o

contacto entre o veio da cremalheira e as paredes interiores da peça carreto cilíndrico do 2º nível e

integral com o veio dentado. Assim, foi proposto e estudado o último protótipo deste documento, que

consiste em limitar o movimento lateral do veio da cremalheira por intermédio de um anel acrescentado

à peça tampa suporte do NMSEC. Na figura 31 é apresentado este último protótipo e a respetiva peça

do protótipo abrangente do conjunto.

Figura 31 - Protótipo impresso em 3D da peça tampa suporte do NMSEC, com o acrescento do anel limitador do movimento lateral do veio da cremalheira. A peça da esquerda é a correspondente do protótipo abrangente do conjunto sem a alteração do anel limitador.

65

O acrescento do anel limitador não apresentou nenhuma melhoria relevante, apesar de fazer

sentido implementá-lo, já que não acrescenta complexidade na produção da peça e o movimento do

veio da cremalheira é limitado e apoiado.

Avaliando o novo conjunto esfregona rotativa com as especificações ideias delineadas no

capítulo do desenvolvimento do conceito, apenas o peso do balde é relevante, já que é impossível

testar o funcionamento do NMSEC, de forma a comparar com os produtos concorrentes. Relativamente

ao peso do balde cheio, este é bem superior ao espectado, sendo que o conjunto esfregona rotativa

sem água pesa sensivelmente 4kg, mas a quantidade de água que enche o balde, acrescenta mais

8kg à soma total. Esta discrepância é justificada pelo erro cometido no dimensionamento do balde, o

qual suporta demasiada água. Este erro foi cometido devido a limitações de altura do balde, ao

deslocamento do cesto necessário para o acionamento do NMSEC e por se tentar fazer um design

oval atrativo ao cliente, num balde já grande por si só.

5. Custos de produção

Neste capítulo são contabilizados e comparados os custos de produção do conjunto esfregona

rotativa. Primeiramente, são apurados os custos associados ao processo de moldagem, como os

custos dos materiais e da aquisição dos moldes, seguindo-se os custos da montagem do produto. Por

último, são realizadas análises de sensibilidade, tendo em consideração o volume de produção e

alternativas para a construção dos moldes. Uma vez que a produção do produto será levada a efeito

pela própria Fapil, todos os dados utilizados na análise de custos foram disponibilizados pela mesma.

5.1 Custo do processo de injeção

Neste subcapítulo são apresentadas as fórmulas de cálculo e os valores referentes aos custos

envolvidos no processo de injeção do conjunto esfregona rotativa. Estes custos são subdivididos nos

seguintes pontos:

Matéria-prima;

Ferramentas (moldes);

Equipamento (máquinas de injeção);

Energia;

Mão-de-obra;

Setup;

Processo de trituração.

As fórmulas e dados usados para o cálculo dos custos de produção do conjunto esfregona

rotativa resultam da consulta de referências bibliográficas e de informação cedida pela Fapil.

66

Custo da matéria-prima por produto:

𝐶𝑚𝑝 = (1 − 𝑚) × 𝐶𝑝𝑜𝑙 + 𝑚 × 𝐶𝑐𝑜𝑟 (Equação 12)

Onde, m é a percentagem de corante na mistura (3%), Cpol o custo do polímero (1,25€/kg para

peças de PP e 1,5€/Kg para peças de POM) e Ccor o custo do corante (5€/kg). Neste documento

considera-se que todo o desperdício da matéria-prima é reutilizado no processo de trituração, não

havendo, assim, perdas de material no processo de injeção.

Custo da ferramenta (moldes):

Para determinar o custo de aquisição dos moldes, foi solicitado à Fapil o orçamento de várias tipologias

de moldes.

Na determinação dos vários orçamentos foram tidas em consideração a geometria dos

componentes a produzir, o número de peças por molde, o número de cavidades, o sistema de

alimentação, o número de pontos de injeção e tempos de ciclo de cada molde. Na tabela 10 estão

apresentados os valores orçamentados e a máquina de injeção correspondente a cada molde.

Tabela 10 - Tabela com as especificações dos moldes para as diferentes peças.

Componentes

Nº peças iguais

por molde

Tipologia do molde

Nº pontos de injeção

Máquina de injeção

Tempo de ciclo

[s]

Custo de aquisição

[€]

Balde 1 1Q 4 600T 30 60 000

Cesto 1 1F 1 300T 20 30 000

Proteção contra salpicos 1 1Q 2 300T 20 30 000

Pega central 2 2Q 2 300T 20 25 000

Base NMSEC 1 1Q 2 300T 20 30 000

Pega trolley 1 3F 3 150T 15 20 000

Base da esfregona 2 2Q 2 300T 20 17 000

Fixador dos encaixes do cabo na base da esfregona

6 6Q 6 150T 20 18 000

Encaixes do cabo 4 16F 16 150T 60 20 000

Rodas e tampa suporte do NMSEC 1 5F 5 150T 20 12 000

Engrenagens e peças suporte do NMSEC 1 14Q 14 300T 60 80 000

Custo hora do equipamento (máquina de injeção):

𝐶𝑚𝑖 =𝐶𝑎𝑚𝑖

(𝑑𝑎𝑛𝑜×ℎ𝑑𝑖𝑎)× [

𝑖×(1+𝑖)𝑛

(1+𝑖)𝑛−1] (Equação 14)

Onde, Cami é o custo de aquisição da máquina de injeção, i o custo de oportunidade (15%), n

a vida útil do equipamento (8 anos), dano os dias de funcionamento da máquina de injeção por ano

(252, sendo este a média de dias úteis dos próximos 8 anos [24], multiplicado pelos 12 meses de

trabalho) e hdia o número de horas diárias de funcionamento da máquina (21h), considerando por turno

67

1 hora não produtiva. Atualmente a secção de injeção da empresa Fapil funciona a três turnos de

trabalho, cada um de 8 horas diárias, 5 dias por semana e 12 meses por ano.

Seguidamente é apresentada a tabela 11 com as três máquinas de injeção responsáveis pela

produção do conjunto esfregona rotativa, especificando a tipologia da máquina, a potência e o custo

de aquisição.

Tabela 11 - Máquinas de injeção usadas na produção do conjunto esfregona rotativa.

Tipologia da máquina de injeção

Potência [KW]

Custo de aquisição [€]

600T 110 280 000

300T 55 150 000

150T 40 90 000

Custo hora da energia:

𝐶𝑒𝑚𝑖 = 𝑃𝑜𝑡𝑚𝑖 × 𝑃𝑟𝑒 (Equação 15)

Onde, Potmi é a potência da máquina de injeção (representada na tabela 11) e Pre o preço da

energia solicitado à rede elétrica (0,105€/kWh).

Custo por setup:

𝐶𝑠𝑒𝑡𝑢𝑝 = (𝐶𝑚𝑖 + 𝐶𝑚𝑜) × 𝑡𝑠𝑒𝑡𝑢𝑝 (Equação 16)

Onde, Cmi é o custo hora da máquina de injeção (€/h), Cmo o custo hora da mão-de-obra (€/h)

e tsetup o tempo de setup (30min). Este último é constituído pelo tempo de mudança de molde e pelo

tempo necessário para afinar o processo de injeção. Considera-se ainda que todas as peças

produzidas durante a afinação do processo de injeção apresentam defeito, sendo por isso reutilizadas

a partir do processo de trituração.

Custo hora da mão-de-obra:

𝐶𝑚ã𝑜−𝑑𝑒−𝑜𝑏𝑟𝑎 =𝑁𝑆×𝑆𝑚×𝐶𝑆+11×𝑆𝑎

𝑑𝑎𝑛𝑜×ℎ𝑑𝑖𝑎×𝑓𝑝 (Equação 13)

Onde, NS é o número de salários anuais (14), S

m o salário bruto mensal do operador (600€),

CS os custos sociais da Fapil (23,75%), Sa o subsídio de alimentação mensal (100€), dano os dias de

trabalho por ano (231, sendo este a média de dias úteis dos próximos 8 anos [24], multiplicado por 11

meses de trabalho), hdia o número de horas de trabalho diárias (8h) e fp o fator de produtividade do

operador (90%). Para controlar as três máquinas de injeção, que operaram todos os moldes do

conjunto esfregona rotativa, são considerados três operadores a 100% de ocupação.

68

Custo hora do processo de trituração:

𝐶𝑡𝑟𝑖𝑡 = 𝐶𝑚𝑡𝑟𝑖𝑡 + 𝐶𝑒𝑚𝑡𝑟𝑖𝑡 + 𝐶𝑚𝑜 (Equação 17)

Onde, Cmtrit é o custo hora da máquina de trituração (€/h), Cemtrit o custo hora da energia da

máquina de trituração (€/h) e Cmo o custo hora da mão-de-obra (€/h, igual ao calculado anteriormente).

Foi usada a equação 14 do Cmi para calcular o Cmtrit. Neste cálculo foi considerado o custo de aquisição

da máquina de trituração de 15 000€, o custo de oportunidade (i) de 15%, vida útil do equipamento (n)

de 20 anos, os dias de funcionamento da máquina de trituração por ano de 252 dias e o número de

horas diárias de funcionamento da máquina de trituração de 1 hora. Também o custo hora da energia

da máquina de trituração foi calculado como anteriormente, com a equação 15 do custo hora da energia

da máquina de injeção. A potência total da máquina de trituração da empresa Fapil é 10kW e tem uma

capacidade de 200Kg/h. Considera-se ainda que a matéria-prima triturada corresponde a 1% da

utilizada cada produto.

Na tabela 12 são resumidos os valores determinados para os diferentes fatores de custo.

Tabela 12 - Valores dos fatores de custo do processo de injeção.

5.2 Custo da montagem do conjunto

𝐶𝑚𝑜𝑛𝑡𝑎𝑔𝑒𝑚 = 𝐶𝑚𝑜 × 𝑡𝑚𝑜𝑛𝑡𝑎𝑔𝑒𝑚 (Equação 18)

Onde, Cmo o custo hora da mão-de-obra (€/h, igual ao calculado anteriormente) e tmontagem o tempo para

a montagem de um conjunto esfregona rotativa (4 minutos). Considera-se ainda um tempo de 30

segundos para o embalamento do conjunto. Obtém-se, assim, um custo total de 0,518 € por produto.

Fatores de custo Valores

Matéria-prima PP [€/kg] 1,36

Matéria-prima POM [€/kg] 1,61

Mão-de-obra [€/h] 6,91

Máquina de injeção 600T [€/h] 11,79

Máquina de injeção 300T [€/h] 6,32

Máquina de injeção 150T [€/h] 3,79

Energia 600T [€/h] 11,55

Energia 300T [€/h] 5,78

Energia 150T [€/h] 4,20

Setup 600T [€] 9,35

Setup 300T [€] 6,61

Setup 150T [€] 5,35

Trituração [€/h] 17,47

69

5.3 Custos de produção do produto

No apuramento dos custos de produção do produto foi considerado um volume de produção

anual de 200 000 unidades do conjunto esfregona rotativa, produzidos em lotes de 20 000 unidades.

Para o tempo de ciclo do produto foi contabilizada a soma dos tempos de ciclo das peças fabricadas

pela máquina de injeção 300T, já que, em relação às outras máquinas, é a mais utilizada e tem uma

soma de tempos de ciclo maiores. Seguidamente, apresenta-se a tabela 13 com os custos de produção

por produto.

Tabela 13 - Custos de produção por produto para um volume de produção anual de 200 000 produtos,

Três turnos de 7h e três máquinas de injeção, sendo cada uma de 600T, 300T e 150T.

Tempo de ciclo

[s]

Custo Máquina

[€]

Custo Energia

[€]

Mão-de- -obra

[€]

Custo de Setup

[€]

Processo de trituração

[€]

Matéria- -prima

[€]

Custo moldes

[€]

Custo Total

[€]

Produto 140 0,402 0,385 0,431 0,004 0,003 5,597 0,342 7,163

5.4 Análise de sensibilidade

Neste subcapítulo são analisados os custos de produção do produto para diferentes volumes

de produção, variando a quantidade de máquinas de injeção de 300T utilizadas para operar os moldes.

É também realizada uma análise de sensibilidade aos custos de produção por produto para três

alternativas do conjunto de moldes, que produzem o conjunto esfregona rotativa. Por fim, é analisado

o custo/benefício da adição de um molde para a peça carreto cilíndrico 2º nível e veio dentado roscado,

pois caso esta seja implementada no conjunto esfregona rotativa, necessitará de ser produzida por um

molde rotativo exclusivo à mesma.

Análise de sensibilidade ao volume de produção

O objetivo da Fapil é ter um volume de produção anual de 200 000 unidades. No entanto, este

valor ultrapassa o volume de produção anual máximo, utilizando três máquinas de injeção com um

tempo de ciclo de 140 segundos. Foi então analisado o tempo de ciclo do produto, concluindo-se que

apenas o número de máquinas de injeção 300T afeta o tempo de ciclo total do produto. Assim, é

proposto neste estudo a utilização de quatro e cinco máquinas de injeção para a produção do produto,

o que diminuiria o tempo de ciclo total do produto para 70 e 60 segundos, respetivamente. As quatro

máquinas são divididas numa de 600T, duas de 300T e outra de 150T. As cinco máquinas são divididas

numa de 600T, três de 300T e outra de 150T.

Os resultados são apresentados na figura 32, com a variação do custo de produção do produto

em função do volume de produção. Nesta figura são também assinalados os volumes de produção

anuais máximos pelas linhas verticais, com as respetivas cores a corresponder à quantidade de

máquinas de injeção de 300T.

70

Figura 32 - Variação do custo de produção do produto em função do volume de produção.

Pela análise da figura 32, conclui-se que a utilização de duas máquinas de injeção de 300T é

a melhor opção para o volume de produção anual de 200 000 produtos pretendido pela Fapil. Caso

pretenda atingir um volume de produção anual superior a 270 767 produtos, tem de acrescentar uma

terceira máquina de injeção de 300T. Se o volume de produção anual for superior a 317 044 produtos,

será necessário acrescentar uma quarta máquina de injeção de 300T e outra de 150T. Se a Fapil

decidir produzir quantidades inferiores a 135 557 produtos, testando o produto no mercado com menos

investimento e risco associado, pode manter-se na utilização de uma máquina de injeção de cada tipo,

600T, 300T e 150T.

Na tabela 14 são apresentados os custos de produção do produto para vários volumes de

produção anuais, referentes à opção das quatro máquinas de injeção.

Tabela 14 - Custos de produção do produto para vários volumes de produção anuais, para a utilização de quatro máquinas de injeção.

Volume de produção anual [produto]

135 557 150 000 175 000 200 000 225 000 250 000 270 767

Custo de produção do produto [€]

7,330 7,280 7,213 7,163 7,124 7,093 7,071

Pela análise da tabela 14 conclui-se que, para o volume de produção anual objetivado pela

Fapil, o custo de produção do produto é de 7,163€. Também se conclui que, com a utilização de quatro

máquinas de injeção (duas de 300T), o volume de produção anual máxima é de 270 767 produtos,

com um custo de produção correspondente de 7,071€.

6.900

7.000

7.100

7.200

7.300

7.400

7.500

7.600

7.700

7.800

50000 100000 150000 200000 250000 300000 350000 400000

Cu

sto

s d

e p

rod

uçã

o p

or

pro

du

to [

€]

Volume de produção anual [produto]

Variação do custo de produção do produto em função do volume de produção

3 Máquinas de injeção

4 Máquinas de injeção

5 Máquinas de injeção

71

Análise de sensibilidade às alternativas de moldes

Neste ponto são analisadas três alternativas para produzir o conjunto de moldes que produzem

o conjunto esfregona rotativa e a adição de um molde para a peça carreto cilíndrico 2º nível e veio

dentado roscado, caso seja implementado no conjunto esfregona rotativa. A primeira alternativa

corresponde ao conjunto de moldes representados na tabela 10. Para as outras duas alternativas,

altera-se apenas dois últimos moldes da tabela 10, que correspondem ao molde das rodas e da tampa

suporte do NMSEC, e ao molde das engrenagens e das peças suporte do NMSEC. Os moldes que

substituem apresentam-se na tabela 15, respetivamente para cada alternativa.

Tabela 15 - Moldes da segunda e terceira alternativas, a alterar na primeira alternativa.

Componentes Nº peças

iguais por molde

Tipologia do molde

Nº pontos de injeção

Máquina de

injeção

Tempo de ciclo [s]

Custo de aquisição

[€]

2ª

alt

ern

ati

va

Rodas e tampa suporte do NMSEC

4 20F 20 300T 50 30 000

Engrenagens e peças suporte do NMSEC

separadas em 12 moldes 4 4F 4 300T 30 25 000

3ª

alt

ern

ati

va

Rodas e peças suporte do NMSEC

1 10F 10 150T 30 30 000

Engrenagens do NMSEC 1 9F 9 300T 60 50 000

A segunda alternativa consiste na fabricação de mais peças iguais por molde, separando as

engrenagens e as peças suporte do NMSEC por doze moldes diferentes, equilibrando melhor cada

molde e, por isso, possibilita melhores resultados finais nas peças. No entanto, acrescentando tantos

moldes no processo de produção, aumenta os custos da ferramenta e implica a utilização de cinco

máquinas de injeção de 300T. Só desta forma são atingidos os tempos de ciclo do produto, capazes

de atingir o volume de produção anual, estipulado anteriormente.

A terceira alternativa é similar à primeira, com a diferença de se juntar todas as engrenagens

num molde e as peças de suporte noutro, juntamente com as Rodas.

Na tabela 16 são apresentados os custos de produção por produto para cada alternativa,

variando com o volume de produção anual, e o custo total dos moldes para cada alternativa.

Tabela 16 - Custos de produção por produto para cada alternativa, variando com

o volume de produção anual, e o custo total dos moldes para cada alternativa.

Volume de produção

anual [produto]

75 000

100 000

125 000

150 000

175 000

200 000

225 000

250 000

270 767

Custo total dos

moldes [€]

Custos de produção

por produto [€]

1ª alternativa

7,747 7,514 7,373 7,280 7,213 7,163 7,124 7,093 7,071 342 000

2ª alternativa

8,692 8,296 8,059 7,900 7,787 7,702 7,636 7,584 7,547 580 000

3ª alternativa

7,704 7,514 7,343 7,253 7,188 7,140 7,102 7,072 7,051 330 000

72

Analisando a tabela 16, a terceira alternativa revela-se ser a mais económica, tanto no custo

total dos moldes, como no custo de produção por produto. Contudo, a primeira alternativa apresenta

valores muito próximos da terceira, sendo que para uma escolha mais assertiva, seria preciso um

estudo focado do processo de produção por moldes de injeção plástica. A segunda alternativa só será

aplicada se o estudo dos moldes o exigir, pois, de outra forma, apenas acresce custos ao produto.

Relativamente à possível adição de um molde para a peça carreto cilíndrico 2º nível e veio

dentado roscado, apresenta-se na tabela 17 as características do molde, o custo acrescentado no

produto e o custo total do produto com esta peça, para um volume de produção anual de 200 000

produtos. Foram consideradas oito peças iguais por molde, de forma a rentabilizar o tempo de ciclo e

o custo do molde.

Tabela 17 - Características do molde, o custo acrescentado no produto e o custo total do produto com a peça carreto cilíndrico 2º nível e veio dentado roscado, para um volume de produção anual de 200 000 produtos.

Componentes Nº peças

iguais por molde

Tipologia do molde

Nº pontos

de injeção

Máquina de

injeção

Tempo de ciclo

[s]

Custo de aquisição

[€]

Custo acrescentado

no produto [€]

Custo total do produto

[€]

Molde rotativo

carreto cilíndrico 2º nível e veio

dentado roscado

8 8Q 8 300T 50 30 000 0,064 7,227

Analisando o custo acrescentado no produto, este é pouco relevante face ao custo total do

produto, mesmo reduzindo a quantidade de material do produto. Concluindo-se, assim, que esta peça

provavelmente será implementada no produto, pelas melhorias registadas no capítulo 4.2, dos Testes

e Prototipagem, serem suficientemente relevantes para o custo acrescentado no produto.

6. Análise Global

A Fapil – Indústria, S.A., integra o sector da indústria transformadora, produzindo e

comercializando produtos de utilidade doméstica que auxiliam na higiene e limpeza da casa,

tratamento da roupa e arrumação do lar.

Possui elevada capacidade produtiva, procurando racionalizar os meios que tem à disposição,

não desperdiçando recursos em áreas que ainda não estão suficientemente sustentadas. É o caso do

desenvolvimento do produto objeto deste trabalho em que a Fapil, através do estabelecimento de

parcerias com universidades, procura atingir um duplo objetivo, a saber:

1. Cumprir o desígnio de inovar permanentemente, pois a inovação é considerada um fator-chave

para o sucesso da empresa;

2. Contornar a falta de recursos para o desenvolvimento de produto.

A Fapil foi, portanto, a impulsionadora deste trabalho, começando por nos apresentar uma

espécie de caderno de encargos em que a partir do produto existente – esfregona rotativa – solicitou

73

o desenvolvimento desse produto no sentido de se produzir e comercializar uma esfregona similar a

custos inferiores, especialmente no mecanismo de secagem.

Naturalmente, iniciou-se o trabalho pela identificação das necessidades, o que foi conseguido

com sucesso, por recurso a entrevistas de grupo, com o manuseamento de vários tipos de esfregonas

e aos utilizadores líder, os quais foram corretamente selecionados. Desta forma foi possível recolher a

informação necessária para se perceber quais as necessidades mais relevantes para o cliente.

Para se poder avaliar o produto em função das necessidades foi preciso criar métricas. Trata-

se duma tarefa desafiante, pois as necessidades têm que ser todas traduzidas preferencialmente para

unidades, visto que todas têm de ser mensuráveis.

Neste estudo, com a relevante interação com a Fapil, foi possível avaliar e testar vários

produtos já existentes no mercado, cobrindo a maior parte dos mecanismos de rotação das esfregonas,

recolhendo, assim, as principais características de uma esfregona rotativa.

Mercê dos critérios utilizados nos testes, designadamente a diversidade de produtos

observados, com as mesmas caraterísticas, e a imparcialidade na sua utilização, foi possível

estabelecer comparações fidedignas.

Analisando as especificações mais relevantes para o funcionamento do mecanismo de

secagem da esfregona, constatou-se que a medição da percentagem de água nos filamentos (métrica

1) e a medição da força máxima aplicada na esfregona (métrica 5), foram corretamente executadas,

obtendo-se valores rigorosos (não estimados). As velocidades de rotação da esfregona (métricas 2 e

3) foram mais difíceis de medir devido às elevadas velocidades que atingiam. Por isso, para estas

especificações o valor foi estabelecido com base na média de três medições.

Conclui-se, assim, que a avaliação das especificações mais relevantes para o funcionamento

do produto foi bem-sucedida e os valores estão próximos da realidade. Esta conclusão sai reforçada

porque os valores atribuídos às especificações dos produtos concorrentes foram obtidos em função

dos testes efetivamente realizados e não da mera leitura dos catálogos disponíveis, pois não é

incomum haver desatualização dos mesmos.

Com a quantidade de avaliações feitas às especificações foi possível perceber a diferença

entre produtos, em termos de qualidade, resistência e performance. Relativamente à resistência dos

baldes é de assinalar que a proteção contra salpicos é uma peça indispensável para reforçar a

resistência lateral do balde. Os valores ideias foram definidos com o máximo rigor e exigência para

prevenir eventuais problemas que pudessem ocorrer na fase de desenvolvimento do conceito.

Na geração de conceitos, o problema da secagem dos filamentos da esfregona foi o mais

relevante pois é o que está relacionado com o mecanismo de secagem. Para o resolver foi decomposto

em subproblemas, proporcionando assim uma ampla pesquisa e abrindo o leque de possíveis

soluções.

O subproblema que mais influencia o mecanismo de secagem é a transmissão do movimento

linear vertical do cabo para rotacional do cesto. A pesquisa de vários conceitos para essa transmissão

permitiu detetar todas as possibilidades para o funcionamento do mecanismo de secagem.

Na seleção de conceitos, os testes supra mencionados realizados aos produtos concorrentes

para avaliar as especificações, revelaram-se úteis para identificar o mecanismo mais cómodo para o

74

utilizador que, no caso, foi o mecanismo de engrenagem com cremalheira incorporada como atuante

(vide imagem 3 da figura 7).

Este mecanismo foi também escolhido tendo em conta a metodologia DMFA, por ser fabricado

com peças plásticas e ser usado em produtos de baixo custo de produção. Os valores apresentados

na matriz de seleção da tabela 6 vieram confirmar o que já se previa ser a melhor opção.

Sendo este o mecanismo escolhido, a sua atuação preferencial é feita com um mínimo de

impactos possíveis no cabo no eixo vertical, o qual empurra o cesto para baixo atuando assim o

mecanismo das engrenagens. Por isso, a cremalheira foi posicionada na vertical e terá de ser seguida

por um sistema de engrenagens desmultiplicadores que permitam alcançar as velocidades requeridas

nas especificações ideais antes mencionadas. Neste sistema de engrenagens, é fundamental um

sistema de roquete para que o cesto gire sempre na mesma direção.

Para que o sistema de engrenagem transmita as velocidades ao cesto, ou seja, para aplicar

a rotação na esfregona, foi pensado um veio dentado, pois o cesto efetua um movimento translacional

sobre o veio, em simultâneo com a transmissão de rotação empregue pelo mecanismo.

Definido o melhor conceito para o produto, passou-se à análise dos constrangimentos

tecnológicos atuais e os custos de produção expectáveis, usando modelos analíticos e físicos.

Tendo em vista perceber as especificações e desenhos exequíveis no produto, começou-se

por criar protótipos analíticos.

O primeiro protótipo é focado no dimensionamento das engrenagens plásticas descritas no

capítulo III-4.1. Para o efeito, foi importante a utilização do programa KISSsoft, pois este já contém,

nos cálculos do programa, métodos especiais para otimizar e dimensionar engrenagens plásticas. O

estudo das engrenagens plásticas é mais complexo que o das metálicas devido precisamente à

escassez de estudos nesta área, não tendo sido ainda estabelecidas fórmulas de apoio ao

desenvolvimento de engrenagens plásticas como existem para as metálicas. Nestas, as fórmulas

foram construídas com base em assunções sobre o tipo de material, cujo comportamento de

elasticidade é linear, o que não se verifica na curva tensão-extensão dos plásticos.

Como o KISSsoft tem inúmeros parâmetros por definir, para garantir o correto

dimensionamento das engrenagens do NMSEC, foi usado um template de engrenagens plásticas. Para

obter uma aproximação dos valores a inserir no KISSsoft, foram usadas fórmulas de engrenagens

metálicas para conseguir visualizar e dimensionar o NMSEC nos limites estabelecidos no interior do

balde.

Foi também devido a estes limites reduzidos do balde que este trabalho se tornou complexo e

originou que o mecanismo contivesse dois níveis de engrenagem cilíndricas desmultiplicadoras,

confirmado após diversas iterações feitas com apenas um nível de engrenagem cilíndrica. A distância

útil da cremalheira não pôde ser superior a 75mm porque implicaria uma altura exagerada para a

dimensão do balde, devido ao facto do cesto efetuar movimento vertical para ativar a cremalheira,

tendo o mesmo deslocamento que esta.

Foi importante escolher engrenagens de dentes retos, pois estes são considerados os mais

simples, comuns e económicos. Não precisam de lubrificação e só estes são suscetíveis de serem

fabricados por moldes de abertura simples sem rotação como seria para as helicoidais.

75

Este estudo não se foca apenas em gerar a geometria das peças, mas também no estudo das

velocidades e potências do NMSEC. Com os cálculos e simulações feitas com o KISSsoft foi possível

fazer as engrenagens com as dimensões exatas que suportam as cargas e velocidades envolventes

no funcionamento do NMSEC. Pela análise da potência obtida no KISSsoft foi confirmada que esta é

7 vezes superior à necessária para vencer a inércia dos filamentos molhados da esfregona.

O segundo protótipo analítico representa o novo conjunto esfregona rotativa na sua totalidade,

tendo sido concebido por modelação 3D CAD. O objetivo é conhecer as formas e dimensões criando

um conjunto funcional e esteticamente agradável para os clientes.

Na modelação foram feitas algumas alterações nas peças recorrendo ao Design for

Manufacturing and Assembly. Para o processo de produção por moldes de injeção plástica foram

selecionados moldes de abertura simples por representarem menores custos de equipamento,

menores tempos de ciclo e, consequentemente, menores custos de produção, comparativamente a

outro tipo de moldes.

No contexto da redução dos custos de produção houve a preocupação de remover material

excessivo, diminuindo espessuras e cavando peças, mas tendo-se garantido que as cavidades

resultantes estivessem orientadas no sentido de abertura do molde. Com esta alteração diminuiu-se o

peso e, consequentemente, o custo das peças.

Tendo em vista desenhar o produto com o menor número de peças possível e para possibilitar

a abertura simples do molde, foi necessário dividir peças mais complexas em várias mais simples, de

que é exemplo a peça base do NMSEC. Esta foi dividida em seis peças diferentes para evitar a

utilização de punções nos moldes, o que dificultava o processo de moldagem, e também para facilitar

a montagem do NMSEC. Todas as peças de suporte que surgiram desta divisão são de fácil encaixe

na base e entre elas, para que a montagem seja o mais rápido e simples possível.

Concluídos os protótipos analíticos passou-se para a prototipagem física, o que permitiu

aperfeiçoar e confirmar o desenho e a funcionalidade do produto. Este tipo de prototipagem evita a

passagem direta dos desenhos para a fabricação dos moldes, eliminando custos elevados exigidos

para corrigir erros ou tornar a redesenhar os moldes para o produto corrigido.

Todos os protótipos físicos foram produzidos por impressão 3D, o que tornou o processo

demorado devido a falhas de impressão decorrentes da grande dimensão de algumas peças. Não

obstante, este tipo de prototipagem é o mais adequado, pois é bastante rápido e simples na exportação

do software CAD para o software Cura, operador de impressora 3D.

Com o principal objetivo de perceber o funcionamento do NMSEC, foram produzidos 5

protótipos físicos, a saber:

1. NMSEC à escala de ½ - o principal objetivo foi perceber o funcionamento do

mecanismo, pelo que várias peças exteriores ao NMSEC não foram impressas. Por este motivo, a

produção deste protótipo foi rápida e económica.

2. Novo conjunto esfregona rotativa completo à escala real – este protótipo ficou mais

dispendioso e demorado por terem sido produzidas todas as peças do conjunto, parte delas de grande

dimensão. Este facto justificou a prioridade no fabrico do protótipo do NMSEC à escala de ½.

76

3. Alteração da peça suporte carreto cilíndrico 2º nível de modo a centralizar o carreto

cilíndrico 2º nível e veio dentado, diminuindo assim os atritos sentidos nesta conexão – este protótipo

exigiu a criação de três protótipos físicos focados nos atritos desta conexão. No primeiro diminuiu-se

a folga desta conexão; no segundo foi acrescentado um rolamento de agulhas; no último foi modificado

o material da peça suporte para um metal, de forma a experienciar o efeito de um material de

superfícies de rugosidades muito baixas. Analisados os protótipos, apenas o segundo apresenta

melhorias, mas somente na centralização da peça carreto cilíndrico do 2º nível e integral com o veio

dentado simples, mantendo-se os problemas dos atritos em todos os protótipos.

4. Alteração do carreto cilíndrico 2º nível e veio dentado e do cesto – este protótipo

resultou em quatro variantes das peças originais focados na conexão entre aquelas duas peças.

Verificou-se que a solução do dentado roscado é claramente a melhor que o simples, pois impulsiona

a rotação no movimento translacional.

5. Alteração da tampa suporte do NMSEC - consiste em limitar o movimento lateral do

veio da cremalheira por intermédio de um anel acrescentado à peça tampa suporte do NMSEC. A

adição do anel limitador não apresentou nenhuma melhoria relevante. Não obstante, faz sentido

implementá-lo, pois o movimento do veio da cremalheira fica limitado e apoiado e, além disso, não

acrescenta complexidade na produção da peça.

Todos os protótipos validaram o funcionamento do NMSEC. No entanto, os atritos acima

referidos nunca deixaram de prejudicar o mecanismo, fazendo-o abrandar ou chegando mesmo a

travá-lo. Esses atritos estão aparentemente relacionados com a rugosidade presente em várias

superfícies das peças provocadas pela impressão 3D. Contudo, com a aplicação de spray Teflon

verificou-se uma significativa redução daqueles atritos, o que leva a concluir que podem não estar

relacionados com a impressão 3D. A conclusão definitiva só poderá ser extraída quando as peças

forem produzidas por moldes de injeção plástica, única forma de obter superfícies de rugosidades

muito baixas.

No segundo protótipo concluiu-se que o balde está sobredimensionado, necessitando de

futuros melhoramentos de design, de modo a assemelhar-se o seu tamanho ao dos outros conjuntos

de esfregona rotativa do mercado. Esta discrepância é justificada pelo erro cometido no

dimensionamento do balde, que teve origem nos seguintes factos:

a) Altura excessiva do balde face às reais necessidades de espaço para o deslocamento do cesto

no acionamento do NMSEC.

b) Metade frontal do balde demasiado grande que se revelou inadequado para as especificações

do produto. Esta opção tinha um duplo propósito, a saber:

i. Transportar mais água para diminuir o número de vezes de mudança da mesma;

ii. Obter um design oval, supostamente mais atrativo para o cliente.

Em conclusão, todos os incidentes descritos dão uma noção clara da frequência e da

complexidade dos mesmos, justificando sobremaneira a importância decisiva da prototipagem no

desenvolvimento de produtos.

77

Analisando, por último, os custos de produção do produto, importa, desde já, referir que o seu

fabrico será levado a efeito pela Fapil, pelo que todos os dados utilizados na análise de custos foram

disponibilizados pela mesma.

O objetivo da Fapil para o novo conjunto esfregona rotativa é ter um volume de produção anual

de 200.000 unidades.

O equipamento necessário para este volume de produção são quatro máquinas de injeção,

sendo uma de 600T, duas de 300T e uma de 150T. O custo unitário global é de 7,163 €, cuja

decomposição está na tabela 13. Conforme se pode constatar, o peso do custo da matéria-prima

representa 78% dos custos totais, sendo, por isso, o mais significativo, até porque o segundo item com

maior peso é o custo de mão-de-obra que representa apenas 6%.

De assinalar que os custos totais não incluem o da montagem do produto em análise porque

se equaciona a possibilidade de ter valor nulo se for transferido para o consumidor essa tarefa de

montagem do equipamento. Em todo o caso, este custo foi apurado, sendo de 0,518 €, por unidade, o

que significa que os custos totais unitários passariam a ser de 7,681 €, representando o custo de

montagem apenas 6,7% do total.

No presente estudo foi ainda apurado o volume de produção máximo para o conjunto das

quatro máquinas supra mencionadas, que é de 270 767 unidades, cujo custo unitário de produção é

de 7,071 €. Se for acrescentada mais uma máquina de 300T, a capacidade de produção anual aumenta

para 317 044 unidades e o custo unitário de produção reduz-se para 7,034 €.

Tendo em conta que a Fapil vende aos seus clientes a esfregona rotativa ao preço unitário de

12 €, conclui-se que a aposta no novo conjunto esfregona rotativa proporciona uma margem unitária

de 4,837 € para o volume de produção pretendido pela Fapil de 200 000 unidades, representando em

temos percentuais uma margem de 40,3%, que será diminuída pelos outros custos não produtivos

(administrativos, marketing, distribuição, logística, entre outros). Em termos absolutos, a venda das

200 000 unidades gerará um encaixe financeiro anual de 967 400 €.

Desconhece-se se este montante é suficiente para fazer face aos custos não produtivos e,

ainda, remunerar os acionistas. Em todo caso, aquele valor pode ser majorado implementando,

separada ou conjuntamente, as seguintes medidas:

i. Aumento do volume de produção para 270 767 unidades – o custo unitário de produção reduz-

se para 7,071 € sem haver necessidade de investir no aumento da capacidade instalada, ou

seja, no número de máquinas. Neste cenário e mantendo o preço de venda unitário nos 12 €,

a margem unitária aumentaria para 4,929 €, ou seja, 41,1%. Em termos absolutos, a venda

das 270 767 unidades proporcionaria um encaixe financeiro anual de 1 334 611 € e a margem

aumentaria em 367 211 €, representando um acréscimo de 38%.

ii. Redução do custo de produção através da diminuição do custo da matéria-prima, uma vez o

seu peso na estrutura de custos é de 78% e, portanto, qualquer diminuição nesta componente

tem de imediato um impacto muito positivo na redução dos custos totais de produção. Este

objetivo pode ser facilmente atingido, por um lado, com a diminuição da dimensão do balde,

que já foi admitido ser necessário concretizar, e, por outro lado, com a análise estrutural ao

produto que permitirá reduzir as espessuras dos seus componentes, com a consequente

78

redução do consumo de material e, portanto, diminuição do custo da matéria-prima incorporada

na esfregona rotativa.

Assumindo que a diminuição da dimensão do balde e da espessura dos seus componentes

permitirá reduzir o peso do produto de 3,929 Kg para 1,5 Kg, e tendo em conta que o custo da

matéria-prima está em proporcionalidade direta com o peso do produto acabado, então o custo

unitário de matéria-prima para a produção anual de 200 000 unidades passará de 5,597 € para

2,137 € e, consequentemente, o custo unitário de produção diminuirá de 7,163 € para 3,703 €.

A margem unitária, mantendo o preço de venda nos 12 €, será de 8,297 € e o encaixe financeiro

anual com a venda das 200 000 unidades seria de 1 659 400 €. A margem total anual

aumentaria 692 000 €, representando um acréscimo de 71,5%.

Se estas duas medidas forem implementadas simultaneamente, o encaixe financeiro total

aumentará em 1 304 064 €, passando de 967 400 € para 2 271 464 € sendo que no segundo cenário

descrito no ponto ii) o ganho poderá ser ainda majorado se forem produzidas 270 767 unidades em

vez das 200 000, que, como vimos, permite diminuir o custo de produção unitário mantendo a

capacidade instalada.

79

IV Conclusões

O desenvolvimento de produto constitui o objeto do presente trabalho. O objetivo foi

desenvolver o conjunto esfregona rotativa produzido pela Fapil – Indústria, SA, no âmbito da parceira

entre esta empresa e o IST – Instituto Superior Técnico.

As especificações do produto foram definidas em função da recolha de necessidades coligidas

no âmbito de entrevistas de grupo. Para poder avaliar o produto em função das necessidades e

estabelecer comparações, foi preciso tornar as necessidades mensuráveis o que foi conseguido

através da criação de métricas. Terminada esta fase, foi possível comparar um conjunto alargado de

produtos concorrentes em diferentes vertentes, tais como, qualidade, resistência e performance.

Tendo em linha de conta que o nosso foco é produzir um conjunto esfregona rotativa a custos

inferiores aos modelos existentes no mercado, nomeadamente no mecanismo de secagem, e na posse

das conclusões das comparações dos diferentes produtos acima referidas, a solução encontrada

traduziu-se na criação de um mecanismo de secagem da esfregona por centrifugação motora

composto por um conjunto de engrenagem desmultiplicadoras. Esta solução, completamente

inovadora, justificou o registo de patente sob a denominação “Mecanismo de engrenagens

desmultiplicadoras para a secagem de esfregona por centrifugação e o seu método de funcionamento”

e com a seguinte descrição:

O acionamento do mecanismo é feito por impulsos descendentes verticais, exercidos na

esfregona, que empurram o cesto. Por sua vez, o cesto aciona o sistema de cremalheira, que ativa a

engrenagem cónica. Esta altera o movimento de rotação para a horizontal, provocando o

engrenamento do primeiro nível de engrenagem cilíndrica. Na ligação entre este e o segundo nível de

engrenagem cilíndrica está incorporado o sistema de roquete, limitando o segundo nível de

engrenagem cilíndrica a uma rotação unidirecional. Este último, pelo veio dentado, conecta-se ao

cesto, limitando-o a um movimento translacional vertical e permitindo a sua rotação em simultâneo,

fechando, assim, o mecanismo.

Este mecanismo é passível de fabricação tendo em conta a metodologia DMFA, sendo

maioritariamente composto por peças plásticas injetadas.

Definido o melhor conceito para o produto, foram criados protótipos analíticos e físicos para

permitir que fossem detetadas eventuais falhas ou imperfeições, cujas correções numa fase posterior

de desenvolvimento do produto originariam maior perda de tempo e custos acrescidos na sua correção.

Neste contexto, recorreu-se ao KISSsoft para dimensionar as engrenagens do mecanismo por ser

software que contém métodos especiais para otimizar e dimensionar engrenagens plásticas. Note-se

que neste estudo foi usado um template de engrenagens plásticas e fórmulas de engrenagens

metálicas de forma a preencher os parâmetros necessários para o KISSsoft. Para uma correta análise

deverá ser feito um estudo mais aprofundado do sistema de engrenagens plásticas.

A realização da prototipagem revelou-se de importância decisiva, pois foi graças aos protótipos

que se detetaram imperfeições no mecanismo, designadamente atritos no seu funcionamento,

sobredimensionamento do balde e excessivo peso do conjunto esfregona rotativa. De referir, ainda,

80

que a impressão 3D, sendo considerada um meio de prototipagem rápido, pode ser muito demorado

dependendo da dimensão das peças e das falhas que ocorrem durante a impressão.

Calcularam-se os custos unitários de produção para um volume de produção anual de 200 000

unidades, tendo-se apurado o valor de 7,163 €, utilizando quatro máquinas de injeção. Uma vez que o

preço a que a Fapil vende aos seus clientes a esfregona rotativa é de 12 €, conclui-se que o custo de

produção representa cerca de 60% da venda. Apurou-se, igualmente, a decomposição do custo de

produção, tendo-se verificado que o custo da matéria-prima representa 78% do total, o que pode ser

determinante na política de redução de custos. Efetivamente e no caso concreto do conjunto esfregona

rotativa, objeto do presente trabalho, a correção das imperfeições supra mencionadas vão causar um

impacto positivo no custo da matéria-prima, visto que a diminuição da dimensão do balde e das

espessuras dos componentes do produto proporcionarão menor consumo de material e, portanto,

redução do custo da matéria-prima.

Ainda no âmbito da análise de sensibilidade foi avaliado o impacto do aumento de produção

sem acréscimo de maquinaria. Assim, é possível produzir anualmente 270 767 unidades, o que

permitirá reduzir o custo de produção unitário para 7,071 €. Foi também calculada e explicada a

redução do custo unitário da matéria-prima decorrente da correção das imperfeições do produto, que

passou de 5,597 € para 2,137 €. Por último, foram evidenciados os impactos na margem unitária dos

vários cenários apresentados, concluindo-se que, na pior das hipóteses, a margem total anual seria de

967 400 €, podendo aumentar para valores superiores a 2 271 464 €. Embora se desconheça o valor

total dos custos não produtivos (administrativos, marketing, distribuição, logística, entre outros),

estima-se que aquele montante seja suficiente para os financiar e, ainda, para remunerar os acionistas.

Conclui-se, portanto, que o conjunto esfregona rotativa tem viabilidade económica e a Fapil –

Indústria, SA pode apostar na comercialização do produto assim que esteja funcional, que passa por

corrigir as imperfeições documentadas.

Como trabalhos futuros propõe-se:

a) Desenvolver o sistema de engrenagens do NMSEC completo no KISSsys. Desenvolver os

estudos do KISSsoft. Diminuir diâmetros e número de dentes mínimos. Diminuir diâmetros

dos veios de suporte das engrenagens.

b) Diminuir dimensões e peso do balde.

c) Análise estrutural do NMSEC, reduzindo as espessuras das suas peças.

d) Fabrico de moldes de silicone para testar peças com superfícies de rugosidade muito

baixa.

e) Substituir todos os parafusos por encaixes, de forma a facilitar o processo de montagem,

diminuindo o seu tempo e, consequentemente, o custo de mão-de-obra.

81

V Referências Bibliográficas

[1] Ulrich, KT. Eppinger, SD. Product Design and Development. McGraw Hill. 2004.

[2] Unger, D. Eppinger, S. Improving product development process design: a method for managing

information flows, risks, and iterations. Journal of Engineering Design Vol. 22, No 10, October 2011,

689-699.

[3] Cunha, G.D. A Evolução dos Modos de Gestão do Desenvolvimento de Produtos. Pontifícia

Universidade Católica do Rio Grande do Sul. Produto & Produção, vol. 9, n. 2, p. 71-90, jun. 2008.

[4] Wheelwright, S.C. Clark, KB. Revolutionizing Product Development. Em: The Free Press.1992.

[5] Mital, A. Desai, A. Subramanian, A., Mital, A. Product Development: A Structured Approach to

Consumer Product Development, Design, and Manufacture. Elsevier. Second edition 2014.

[6] Stark, J. Product Lifecycle Mangement: Volume 1: 21st Century Paradigm for Product

Realisation. Springer. Third Edition 2015.

[7] Gmelin, H., Seuring, S. Determinants of a sustainable new product development. Journal of

Cleaner Production, (69), p. 1-9, 2014.

[8] Yeniyurt, S.W. Henke Jr., J. Yalcinkaya, G. A longitudinal analysis of supplier involvement in

buyers’ new product development: working relations, inter-dependence, co-innovation, and

performance outcomes, J. of the Acad. Mark. Sci. Springer. 2013.

[9] Yan, T. Nair, A. Structuring Supplier Involvement in New Product Development: A China–U.S.

Study. A Journal of the Decision Sciences Institute. 2015.

[10] Yana, T. Dooley, K.J. Communication intensity, goal congruence, and uncertainty in buyer–

supplier new product development. Journal of Operations Management, (31), p. 523–542. Elsevier.

2013.

[11] Handfield, R.B. Lawson, B. Integrating Suppliers into New Product Development. Research-

Technology Management, (50:5), p. 44-51, 2007.

[12] Ma, Y.-S. Semantic Modeling and Interoperability in Product and Process Engineering - A

Technology for Engineering Informatics. Springer. 2013.

[13] Bullinger, H.J. Warschat, J. Concurrent Simultaneous Engineering Systems - The Way to

Successful Product Development. Springer. 1996.

[14] Huang, G.Q. Design for X: Concurrent engineering imperatives. Springer. 1996.

[15] Ispas, C. Zapciu, M. Mohora, C. Anania, D. Product Development using CAD-CAM-CAE

Software and Internet Facilities. ResearchGate. January 2006.

[16] Lantada, A.D. Handbook on Advanced Design and Manufacturing Technologies for Biomedical

Devices. Springer. 2013.

[17] ltodi.est.ips.pt/rmendes/resources/Apontamentos_EMII/CAP7_Engrenagens.pdf

[18] Davis, JR. Gear Materials, Properties, and Manufacture. ASM International. 2004.

[19] Matos Almas, E. Carinhas, H. Sebenta de Orgãos de Máquinas, Volume I, Engrenagens, Trens

de Engrenagens. Instituto Superior Técnico.

[20] khkgears.net/plastic-gears/

82

[21] Sclater, N. Chironis, NP. Mechanisms & Mechanical Devices – Sourcebook. McGraw-Hill. Third

Edition 2001.

[22] www.kisssoft.ch/english/downloads/instructions_kisssoft.php

[23] KISSsoft AG. Tutorial 11 Tooth Form Optimizations, Tooth Form Modifications specifically for

Plastic, Sintered, Wire-eroded and Form-forged Gears. March 2017

[24] www.clubedospoupadores.com/calculadora-dias-uteis

83

VI – Anexos

Anexo 1 – Guião seguido nas entrevistas para a recolha de necessidades

Neste anexo é apresentado o guião seguido nas entrevistas para a recolha de necessidades.

Recordando, as entrevistas realizaram-se em grupo e com a utilização física de vários tipos de

esfregonas, sempre incluindo a esfregona de torcer no espremedor do balde e a esfregona rotativa.

Os utilizadores líder entrevistados foram profissionais de limpeza, empregadas domésticas e o cidadão

no geral que use a esfregona mais que duas vezes por semana, dando especial atenção a pessoas

com mobilidade/comodidades reduzida. Nas entrevistas foi seguido um guião informal,

compreendendo como principais as seguintes perguntas:

• Qual é a sua experiência com esfregonas?

• Que tipo de esfregonas já utilizou?

• Qual é a sua experiência com esfregonas rotativas?

• Qual dos tipos de esfregonas gosta mais? Porquê?

• O que prefere em cada tipo de esfregonas?

• O que não gosta?

• Tem que aplicar muita força para espremer?

• O que gostava que a esfregona tivesse ou fizesse?

• Como é que faz isso? Demonstre.

Anexo 2 – Tempos de atuação dos conjuntos esfregona rotativa testados no

subcapítulo III – 3.2

De forma a definir o melhor tempo de atuação do mecanismo definido na tabela 7, foi estimado

um valor com base na média do tempo de atuação dos conjuntos esfregona rotativa testados no

capítulo III – 3.2. A tabela 18 apresenta os respetivos tempos de atuação.

Anexo 3 – Relatórios gerados das simulações realizadas no KISSsoft

Neste anexo são apresentadas a primeira página de cada relatório gerado das simulações

realizadas no KISSsoft, para cada engrenagem. Nestas são apresentados parâmetros como a

potência, velocidade de rotação e número de dentes.

Tabela 18 - Tempo de atuação dos conjuntos esfregona rotativa testados no subcapítulo III - 3.2.

Fapil Kasa Kasa Pedal

Utildecor Otyma Fénix

Mopnado Walkable spin mop

Vileda Valor médio ideal

Tempo de atuação 1 [s] 1,33 1,79 1,51 1,84 2,16 1,72 1,56 1,70

Tempo de atuação 2 [s] 1,50 1,20 1,70 1,87 1,64 1,40 1,32 1,52

Tempo de atuação 3 [s] 1,64 1,53 1,88 1,98 1,84 1,65 1,73 1,75

Tempo de atuação médio [s] 1,49 1,51 1,70 1,90 1,88 1,59 1,54 1,66

84

Figura 33 - Relatório gerado da simulação do KISSsoft da engrenagem da cremalheira e pinhão.

85

Figura 34 - Relatório gerado da simulação do KISSsoft da engrenagem cónica.

86

Figura 35 - Relatório gerado da simulação do KISSsoft do 1º nível da engrenagem cilíndrica.

87

Figura 36 - Relatório gerado da simulação do KISSsoft do 2º nível da engrenagem cilíndrica.

88

Anexo 4 – Patente – Mecanismo de engrenagens desmultiplicadoras para a

secagem de esfregona por centrifugação e o seu método de funcionamento

Neste anexo, referente à patente - Mecanismo de engrenagens desmultiplicadoras para a

secagem de esfregona por centrifugação e o seu método de funcionamento, são apresentados o

Resumo, a Descrição, as figuras e as Reivindicações. Esta invenção é fruto desta tese.

RESUMO

Mecanismo de engrenagens desmultiplicadoras para a secagem de esfregona por

centrifugação e o seu método de funcionamento

A presente invenção refere-se a um mecanismo de secagem de uma esfregona por centrifugação

motora composto por um conjunto de engrenagens desmultiplicadoras. O seu acionamento é feito por

impulsos descendentes verticais, exercidos na esfregona (1), que empurram o cesto (2).

Consequentemente, o cesto (2) aciona o sistema de cremalheira (3), que ativa a engrenagem cónica

(4). Esta altera o movimento de rotação para a horizontal, provocando o engrenamento do primeiro

nível de engrenagem cilíndrica (5). Na ligação entre este e o segundo nível de engrenagem cilíndrica

(6) está incorporado o sistema de roquete (7), limitando o segundo nível de engrenagem cilíndrica (6)

a uma rotação unidirecional. Este último, pelo veio dentado (8), conecta-se ao cesto (2), limitando o

cesto (2) a um movimento translacional vertical e permitindo a sua rotação em simultâneo, fechando o

mecanismo. O mecanismo é passível de fabricação, sendo maioritariamente composto por peças

plásticas injetadas.

Figura 37 - Figura principal da patente.

89

DESCRIÇÃO

Mecanismo de engrenagens desmultiplicadoras para a secagem de esfregona por

centrifugação e o seu método de funcionamento

Campo da invenção

Campo técnico em que a invenção se insere

A presente invenção refere-se a um mecanismo de engrenagens desmultiplicadoras para secagem de

esfregona por centrifugação e o seu sistema de funcionamento, com melhoramentos nas

características do mecanismo de rotação.

Estado da técnica

As esfregonas têm como finalidade limpar e remover líquidos, sujidade e poeiras, de superfícies. Sendo

este utensílio muito usado no meio industrial e doméstico, é um produto que tem sofrido constantes

melhoramentos, tanto a nível tecnológico, nos mecanismos de secagem da esfregona e nos próprios

filamentos da esfregona que absorvem a água, como nos custos de produção.

Atualmente, o mecanismo de secagem de esfregonas mais eficaz e eficiente atua por

centrifugação, pela rotação da esfregona e do balde a velocidades elevadas. Quando comparado com

mecanismos anteriores, como espremer a esfregona manualmente ou torcê-la e comprimi-la através

do cabo contra um espremedor, esta solução implica menos força de atuação e possibilita maior

rapidez e eficácia para secar a esfregona. Este mecanismo possibilita também uma maior higiene e

segurança, afastando o utilizador do contacto direto com químicos dos produtos de limpeza e com a

sujidade a limpar, como por exemplo, objetos cortantes que estejam nos filamentos.

Existem já vários tipos de mecanismos de secagem de esfregonas por centrifugação. No caso

do produto descrito no pedido de patente Nº US2012192373A1, o mecanismo de rotação está situado

no interior do cabo da esfregona e é composto por diversos componentes, em que o principal

responsável pela rotação é um veio roscado. Este mesmo mecanismo já sofreu posteriores

melhoramentos com a adição de engrenagens desmultiplicadoras, com o objetivo de reduzir a carga a

aplicar no seu funcionamento. Exemplos destes são os modelos de utilidade Nº CN202235236U e Nº

CN205458515U. Contudo, este tipo de mecanismo, mesmo na sua forma mais básica, ainda tem

custos de produção elevados para o mercado onde está inserido. Estes custos devem-se aos materiais

usados e, principalmente, ao elevado custo de montagem.

Existe também outro importante tipo de mecanismo de rotação, que inclui um pedal como

atuador de engrenagens desmultiplicadoras impulsionadoras da rotação do cesto e da esfregona.

Exemplos destes são o pedido de patente Nº US20100064469A1 e a patente chinesa Nº

CN203987918U. Na sua forma mais básica, este tipo de mecanismo de rotação melhora os custos de

montagem em relação ao mecanismo anteriormente descrito. No entanto, o seu manuseamento por

pedal não é o mais acessível a qualquer utilizador, exigindo algum equilíbrio. Outros fatores negativos

são o espaço exterior ao balde que é ocupado pelo pedal, dificultando a arrumação em espaços mais

reduzidos, assim como o facto de ser mais propício a tombar durante os acionamentos do pedal, se o

balde não estiver devidamente cheio.

90

A presente invenção proporciona a redução dos custos de produção, contendo na sua maioria

peças fabricadas por injeção plástica e proporcionando uma fácil montagem do mecanismo de rotação,

podendo ser quase totalmente montada pelo próprio utilizador. O mecanismo ocupa uma área bastante

reduzida, situando-se apenas no interior do balde, debaixo do cesto. O seu manuseamento é bastante

simplificado, tendo o utilizador apenas que aplicar carga no cabo da esfregona no sentido descendente.

As engrenagens desmultiplicadoras resultam numa carga de atuação inferior à dos mecanismos já

existentes.

Sumário da invenção

A presente invenção refere-se a um mecanismo de secagem de uma esfregona por centrifugação

motora. Este mecanismo inclui a esfregona (1), a base do mecanismo (9), o cesto (2), um sistema de

cremalheira (3), uma engrenagem cónica (4), um primeiro nível de engrenagem cilíndrica (5), um

segundo nível de engrenagem cilíndrica (6) e um sistema de roquete (7). O movimento descendente

da esfregona (1) empurra o cesto (2) para baixo. Consequentemente, o cesto (2) aciona o sistema de

cremalheira (3) que por sua vez está ligado à engrenagem cónica (44). A engrenagem cónica (4) altera

o movimento de rotação da vertical para horizontal, provocando assim o engrenamento do primeiro

nível de engrenagem cilíndrica (5). Na ligação entre o primeiro nível de engrenagem cilíndrica (5) e o

segundo nível de engrenagem cilíndrica (6) está incorporado o sistema de roquete (7), limitando o

segundo nível de engrenagem cilíndrica (6) a uma rotação unidirecional. O segundo nível de

engrenagem cilíndrica (6) está ligado ao cesto (2), fechando o mecanismo de secagem de uma

esfregona por centrifugação motora. Esta ligação é feita pelo veio dentado (8) que limita o cesto (2) a

um movimento translacional vertical, permitindo a sua rotação em simultâneo. Todo o mecanismo, à

exceção da esfregona (1) e do cesto (2), é compactado no interior do balde (10). A complexa

desmultiplicação das engrenagens é inevitável para que o cesto (2) gire o suficiente para realizar a

secagem dos filamentos da esfregona, com poucos movimentos descendentes da esfregona (1) e com

uma baixa carga de atuação para os efetuar.

Descrição detalhada da invenção

A presente invenção, representada nas figuras de 1 a 8, refere-se a um mecanismo de engrenagens

desmultiplicadoras para a secagem da esfregona por centrifugação e o seu método de funcionamento.

Uma das suas vantagens é a possibilidade de acionar o mecanismo de rotação da esfregona (1)

através do cabo (11), estando este na sua totalidade no interior do balde (10), o que facilita a sua

arrumação. Isto só é possível pela inovadora junção de um sistema de cremalheira (3) vertical,

engrenagens cilíndricas e cónicas desmultiplicadoras e de um sistema de roquete (7), num só

mecanismo. A desmultiplicação de cargas nas engrenagens reduz a carga necessária para se atingir

a velocidade rotacional do cesto (2), necessária para a secagem da esfregona (1). Existe ainda uma

redução dos custos de produção pela fácil e eficiente montagem do mecanismo, reduzindo o tempo e

custo de mão-de-obra, assim como pelo tipo de componentes integrantes do mecanismo, sendo na

sua maioria peças facilmente fabricadas por injeção plástica.

91

Como representado nas Figuras de 1 a 8, este mecanismo inclui: balde (12), cesto (2), travão

do cesto (13), base da esfregona (14), suporte da peça rotativa da esfregona (15), peça rotativa da

esfregona (16), peça de encaixe do cabo (17), junção da peça rotativa e da peça de encaixe macho

(18), junção da peça rotativa e da peça de encaixe fêmea (19), cremalheira (20), peça de guia da

cremalheira (21), junção pinhão-roda cónica (22), junção carreto cónico-roda cilíndrica inferior (23),

junção carreto cilíndrico inferior-roquete (24), trinco (25), roda cilíndrica superior (26), carreto cilíndrico

superior nível e veio dentado (27), tampa de suporte do mecanismo (28), base do mecanismo (9), peça

de suporte do pinhão (29), peça de suporte da engrenagem cónica (30), peça de suporte do sistema

de roquete (31), peça de suporte do carreto cilíndrico superior (32), veio do pinhão (33), veio do carreto

cónico (34), veio do roquete (35), parafuso (36), rebite (37), esfera (38), rolamento de esferas (39),

rolamento de agulhas (40) e mola de compressão.

A esfregona (1) inclui: cabo (11), base da esfregona (14), suporte da peça rotativa da esfregona

(15), peça rotativa da esfregona (16), peça de encaixe do cabo (17), junção peça rotativa-peça de

encaixe macho (18), junção peça rotativa-peça de encaixe fêmea (19), rebite (37) e rolamento de

esferas (39).

O sistema de cremalheira (3) é composto pela cremalheira (20) e pelo pinhão (41). O veio da

cremalheira (42) é integral à cremalheira (20).

A engrenagem cónica (4) é composta pela roda cónica (43) e pelo carreto cónico (44).

A engrenagem cilíndrica inferior (5) é composta pela roda cilíndrica inferior (45) e pelo carreto cilíndrico

inferior (46).

A engrenagem cilíndrica superior (6) é composta pela roda cilíndrica superior (26) e pelo

carreto cilíndrico superior (47).

O sistema de roquete (7) é composto pelo roquete (48), por quatro componentes de trinco (25)

e pelo círculo com dentado interior (49).

A junção pinhão-roda cónica (22) é o resultado da integração coaxial do pinhão (41) com a

roda cónica (43).

A junção carreto cónico-roda cilíndrica inferior (23) é o resultado da integração coaxial do

carreto cónico (44) com a roda cilíndrica inferior (45).

A junção carreto cilíndrico inferior-roquete (24) é o resultado da integração coaxial do carreto

cilíndrico inferior (46) com o roquete (48).

A junção carreto cilíndrico superior-veio dentado (27) é o resultado da integração coaxial do

carreto cilíndrico superior (47) com o veio dentado (8).

Para o funcionamento do mecanismo é exercido um movimento descendente no cabo (11)

que, consequentemente, empurra o cesto (2) para baixo. O contacto entre a esfregona (1) e o cesto

(2) acontece entre o encaixe da base da esfregona (50) e o encaixe do cesto (51). A esfregona (1) tem

livre rotação, de modo a acompanhar a rotação do cesto (2), sendo aplicada em simultâneo uma carga

descendente no cabo (11). Entre a base da esfregona (14) e a peça rotativa da esfregona (16) deve

haver um rolamento de esferas (39) para diminuir o atrito. O cesto (2) está centralizado com o orifício

do balde (52), com o carreto cilíndrico superior e veio dentado (27) e com o veio da cremalheira (42).

O movimento descendente do cesto (2) faz com que o veio incorporado no cesto (53) acione a

92

cremalheira (20), pelo contacto com o veio da cremalheira (42). Entre o veio incorporado no cesto (53)

e o veio da cremalheira (42) existe uma esfera (38), de forma a diminuir o atrito no contacto. Entre a

cremalheira (20) e a base do mecanismo (9) deve também haver uma mola de compressão, de forma

a auxiliar o recuo da cremalheira (20). A cremalheira (20) está posicionada na vertical e é engrenada

com o pinhão (41). A junção pinhão-roda cónica (22) gira em torno do veio do pinhão (33) e assim é

acionado o engrenamento entre a roda cónica (43) e o carreto cónico (44). A relação entre a roda e o

carreto resulta na desmultiplicação do engrenamento. Na engrenagem cónica (4) é alterado o

movimento de rotação do eixo horizontal para vertical. A junção carreto cónico-roda cilíndrica inferior

(23) gira em torno do veio do carreto cónico (34), acionando assim o engrenamento entre a roda

cilíndrica inferior (45) e o carreto cilíndrico inferior (46). Na ligação entre a engrenagem cilíndrica inferior

(5) e a engrenagem cilíndrica superior (6) está incorporado o sistema de roquete (7), que limita a

engrenagem cilíndrica superior (6) a uma rotação unidirecional, pelo engrenamento de duas peças de

trinco (25) no círculo com dentado interior (49) cavado na roda cilíndrica superior (26). A junção carreto

cilíndrico inferior-roquete (24) e a roda cilíndrica superior (26) giram em torno do veio de roquete (35)

e, quando ativado o sistema de roquete (7), é acionado o engrenamento entre a roda cilíndrica superior

(26) e o carreto cilíndrico superior (47). A junção carreto cilíndrico superior-veio dentado (27) está

diretamente ligada ao cesto (2), fechando o mecanismo. Esta ligação é feita pelo veio dentado (8), que

limita o cesto (2) a um movimento translacional vertical, provocando a sua rotação em simultâneo. A

junção carreto cilíndrico superior-veio dentado (27) é mantida no eixo vertical com o auxílio da peça de

suporte de carreto cilíndrico superior (32) e da tampa de suporte do mecanismo (28). No interior da

peça de suporte do carreto cilíndrico superior (32), deve ser acrescentado o rolamento de agulhas (40),

de modo a diminuir o atrito na rotação entre a junção carreto cilíndrico superior-veio dentado (27) e a

peça de suporte do carreto cilíndrico superior (32). A peça de suporte do carreto cilíndrico superior (32)

é separada da tampa de suporte do mecanismo (28) para facilitar o seu fabrico por injeção plástica. A

peça de suporte do pinhão (29) e a peça de suporte da engrenagem cónica (30) auxiliam a montagem

do veio do pinhão (33), facilitando também o fabrico da base do mecanismo (9) por injeção plástica. A

peça de suporte do sistema de roquete (31) é separada da base do mecanismo (9) para facilitar o seu

fabrico por injeção plástica. A tampa de suporte do mecanismo (28) constringe a nulo o movimento da

peça de suporte do pinhão (29), da peça de suporte do sistema de roquete (31), do veio do carreto

cónico (34) e do veio do roquete (35). Todo o mecanismo de rotação é compactado no interior do balde

(10). A complexa desmultiplicação das engrenagens é inevitável para que o cesto (2) gire o suficiente

para realizar a secagem dos filamentos da esfregona, com poucos movimentos descendentes da

esfregona e com uma baixa carga de atuação para os efetuar.

Descrição das figuras

A Figura 1 representa o mecanismo de engrenagem desmultiplicadora para a secagem da esfregona

por centrifugação, que compreende: esfregona (1), cesto (2), cremalheira (3), engrenagem cónica (4),

engrenagem cilíndrica inferior (5), engrenagem cilíndrica superior (6), sistema de roquete (7) e veio

dentado (8).

93

A Figura 2 representa a vista explodida da conexão entre a esfregona (1), o cesto (2) e a junção

carreto cilíndrico superior-veio dentado (27). Também são representados o veio dentado (8), o cabo

(11), o travão do cesto (13), a base da esfregona (14), a peça de encaixe do cabo (17), os parafusos

(36), a esfera (38), o carreto cilíndrico superior (47), o encaixe da base (50) e o veio do cesto (53).

A Figura 3 representa a vista seccionada, no plano central e vertical, da conexão entre a base

da esfregona (14), o cesto (2), a junção carreto cilíndrico superior-veio dentado (27) e a cremalheira

(20). O contacto entre o cesto (2) e a cremalheira (20) ocorre entre o veio da cremalheira (42) e o veio

do cesto (53). Entre os veios está a esfera (38). São também apresentadas as peças envolventes na

rotação da base da esfregona (14), que são: a peça rotativa da esfregona (16), o suporte da peça

rotativa da esfregona (15), a peça de encaixe do cabo (17), a junção peça rotativa-peça de encaixe

macho (18), a junção peça rotativa-peça de encaixe fêmea (19), o rebite (37) e o rolamento de esferas

(39). A peça de guia da cremalheira (21) também é apresentada nesta figura.

A Figura 4 representa as peças de suporte do mecanismo de engrenagens. Nestas, são

englobadas a base do mecanismo (9), a tampa de suporte do mecanismo (28), a peça de suporte do

pinhão (29), a peça de suporte da engrenagem cónica (30), a peça de suporte do sistema de roquete

(31), a peça de suporte do carreto cilíndrico superior (32), com o rolamento de agulhas (40), o veio do

pinhão (33), o veio do carreto cónico (34), o veio do roquete (35) e os parafusos (36). Nesta figura são

também apresentadas a cremalheira (20), a junção carreto cilíndrico superior-veio dentado (27) e o

veio da cremalheira (20), de modo a enquadrar o mecanismo de engrenagens.

A Figura 5 representa o conjunto das engrenagens e os veios de suporte, contendo a figura o

veio dentado (8), a cremalheira (20), a peça de guia da cremalheira (21), a junção pinhão-roda cónica

(22), a junção carreto cónico-roda cilíndrica inferior (23), a junção carreto cilíndrico inferior-roquete

(24), a roda cilíndrica superior (26), a junção carreto cilíndrico superior-veio dentado (27), o veio do

pinhão (33), o veio do carreto cónico (34), o pinhão (41), o veio da cremalheira (42), o carreto cónico

(44), a roda cilíndrica inferior (45), o carreto cilíndrico superior (47) e o círculo com dentado interior

(49).

A Figura 6 representa a Figura 5 com a vista de trás. Nesta, são apresentados os seguintes

componentes: o veio dentado (8), a peça de guia da cremalheira (21), a junção carreto cónico-roda

cilíndrica inferior (23), os trincos (25), a roda cilíndrica superior (26), o veio do pinhão (33), o veio do

carreto cónico (34), o veio do roquete (35), a roda cónica (43), o carreto cónico (44), a roda cilíndrica

inferior (45), o carreto cilíndrico superior (46) e o roquete (48).

A Figura 7 representa o conjunto de peças pertencentes e envolventes do mecanismo de

engrenagens desmultiplicadoras para a secagem da esfregona por centrifugação. Nesta, é assinalado

o cesto (2), a base do mecanismo (9), o cabo (11), o balde (12), a base da esfregona (14) e o encaixe

do cesto (51).

A Figura 8 representa a vista explodida do conjunto de peças pertencentes e envolventes do

mecanismo de engrenagens desmultiplicadoras para a secagem da esfregona por centrifugação.

Nesta, é assinalado o cesto (2), a base do mecanismo (9), o interior do balde (10), o cabo (11), o balde

(12), a base da esfregona (14) e o orifício do balde (52).

94

Figura 38 - Figura 1 da patente.

Figura 39 - Figura 2 da patente.

95

Figura 40 - Figura 3 da patente.

Figura 41 - Figura 4 da patente.

96

Figura 42 - Figura 5 da patente.

Figura 43 - Figura 6 da patente.

97

Figura 44 - Figura 7 da patente.

Figura 45 - Figura 8 da patente.

98

REIVINDICAÇÕES

1. Mecanismo de engrenagens desmultiplicadoras para a secagem de esfregona por centrifugação

caracterizado por compreender os seguintes componentes: balde (12), cesto (2), base da

esfregona (14), cremalheira (20), junção pinhão-roda cónica (22), junção carreto cónico-roda

cilíndrica inferior (23), junção carreto cilíndrico inferior-roquete (24), trinco (25), roda cilíndrica

inferior (26), junção carreto cilíndrico superior-veio dentado (27), tampa de suporte do mecanismo

(28), base do mecanismo (9), peça de suporte do pinhão (29), peça de suporte da engrenagem

cónica (30), peça de suporte do sistema de roquete (31), peça de suporte do carreto cilíndrico

superior (32), veio do pinhão (33), veio do carreto cónico (34) e veio do roquete (35).

2. Mecanismo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a cremalheira (20) ter o veio da

cremalheira (42) integral a si.

3. Mecanismo, de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado por a cremalheira (20) estar

posicionada na vertical.

4. Mecanismo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a junção pinhão-roda cónica (22)

ser a integração coaxial do pinhão (41) com a roda cónica (43).

5. Mecanismo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a junção carreto cónico-roda

cilíndrica inferior (23) ser a integração coaxial do carreto cónico (44) com a roda cilíndrica inferior

(45).

6. Mecanismo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a junção carreto cilíndrico inferior-

roquete (24) ser a integração coaxial do carreto cilíndrico inferior (46) com o roquete (48).

7. Mecanismo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o círculo com dentado interior (49)

ser coaxial e cavado na roda cilíndrica superior.

8. Mecanismo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a junção carreto cilíndrico

superior-veio dentado (27) ser a integração coaxial do carreto cilíndrico superior (47) com o veio

dentado (8).

9. Mecanismo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o veio dentado (8) ter dentado reto

ou roscado.

10. Mecanismo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o cesto (2) estar centralizado com

o orifício do balde (52), com a junção carreto cilíndrico superior-veio dentado (27) e com o veio da

cremalheira (42).

11. Mecanismo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por entre a cremalheira (20) e a base

do mecanismo (9) existir uma mola de compressão.

12. Mecanismo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o contacto entre a base da

esfregona (14) e o cesto (2) ser entre o encaixe base da esfregona (50) e o encaixe do cesto (51).

13. Mecanismo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a base da esfregona (1) ter livre

rotação.

14. Mecanismo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a base da esfregona (1) ter um

rolamento de esferas (39).

99

15. Mecanismo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o contacto entre o cesto (2) e a

cremalheira (20) ser entre o veio incorporado no cesto (53) e o veio da cremalheira (42).

16. Mecanismo, de acordo com as reivindicações 1 e 15, caracterizado por entre o veio incorporado

no cesto (53) e o veio da cremalheira (42) existir uma esfera (38).

17. Mecanismo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o trinco (25) estar montado no

roquete (48).

18. Mecanismo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o roquete (48) ter entre 1 a 10

trincos (25).

19. Mecanismo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ter um rolamento unidirecional

que substitui o roquete (48), o trinco (25) e o círculo com dentado interior (49).

20. Mecanismo, de acordo com as reivindicações 1 e 8, caracterizado por a junção carreto cilíndrico

superior-veio dentado (27) ser fixada no eixo vertical pela peça de suporte do carreto cilíndrico

superior (32) e da tampa de suporte do mecanismo (28).

21. Mecanismo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a peça de suporte do carreto

cilíndrico superior (32) ser fixada à tampa de suporte do mecanismo (28) por encaixe ou por

parafuso (36).

22. Mecanismo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por entre a peça de suporte do carreto

cilíndrico superior (32) e a junção carreto cilíndrico superior-veio dentado (27) existir livre rotação.

23. Mecanismo, de acordo com as reivindicações 1 e 22, caracterizado por entre a peça de suporte do

carreto cilíndrico superior (32) e a junção carreto cilíndrico superior-veio dentado (27) existir um

rolamento de agulhas (40).

24. Mecanismo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a tampa de suporte do mecanismo

(28) ser fixada à base do mecanismo (9) por encaixes ou por parafusos (36).

25. Mecanismo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o travão do cesto (13) ser montado

por encaixes ou por parafuso (36) no cesto (2).

26. Método de funcionamento do mecanismo descrito nas reivindicações anteriores, caracterizado por

compreender as seguintes etapas:

a) Acionamento por movimento descendente da base da esfregona (14) contra o cesto (2);

b) Movimento descendente do cesto (2) contra a cremalheira (20);

c) Engrenamento da cremalheira (20) com o pinhão (41);

d) Rotação da ligação pinhão-roda cónica (22) em torno do veio do pinhão (33);

e) Engrenamento da roda cónica (43) com o carreto cónico (44);

f) Rotação da ligação carreto cónico-roda cilíndrica de primeiro nível (23) em torno do veio do

carreto cónico (34);

g) Engrenamento da roda cilíndrica de primeiro nível (45) com o carreto cilíndrico de primeiro

nível (46);

h) Rotação da ligação carreto cilíndrico de primeiro nível-roquete (24) e da roda cilíndrica de

segundo nível (26) em torno do veio do roquete (35);

i) Engrenamento do trinco (25) no círculo dentado interior (49);

100

j) Engrenamento da roda cilíndrica de segundo nível (26) com o carreto cilíndrico de segundo

nível (47);

k) Engrenamento do veio dentado (8) com o cesto (2);

l) Rotação da base da esfregona (14).